Utilitzant tècniques de deposició de capes atòmiques (ALD, per les seves sigles en anglès), van desenvolupar un catalitzador de sulfur d’indi (In₂S₃) d’alta eficiència per a l’electro-reducció de CO₂ a formiat. Publicat a Advanced Energy Materials, l’estudi obre la porta a aplicacions industrials a altes densitats de corrent.

La reducció electroquímica del diòxid de carboni (eCO₂R) és un camp emergent que connecta les energies renovables amb la captura de carboni, oferint una via per transformar el CO₂ en productes químics i combustibles de valor afegit. Un dels productes més prometedors és el formiat, una molècula versàtil amb aplicacions industrials que abasten des de la indústria química i farmacèutica fins a l’emmagatzematge d'hidrogen i les piles de combustible. En aquest context, assolir una elevada selectivitat i eficiència en l'eCO₂R en condicions rellevants per a la indústria és cada cop més important.

Tot i l'extensa investigació en aquest camp, encara és difícil comprendre en profunditat les propietats electroquímiques i el comportament de l'eCO₂R a causa de la complexitat estructural de les seves capes.

En aquest estudi, van avaluar el rendiment de l'eCO₂R₂ modificant acuradament la humectabilitat superficial de pel·lícules primes de sulfur d'indi (In₂S₃). Utilitzant dos tipus de deposició de capes atòmiques, tèrmica (T-ALD) i millorada per plasma (PE-ALD), van fabricar capes uniformes de In₂S₃ sobre elèctrodes de difusió de gas (GDE). Posteriorment, van emprar llum de sincrotró per caracteritzar les estructures de les pel·lícules, i van comprovar que el control precís de la hidrofobicitat és un paràmetre clau per a una producció eficient de formiat.

Per a la caracterització de la composició, morfologia i hidrofobicitat de les pel·lícules primes de In₂S₃ , l'equip de recerca va necessitar diferents tècniques d'anàlisi, com ara l'espectroscòpia de fotoelectrons de raigs X (XPS), la microscòpia electrònica de rastreig (SEM), la fluorescència de raigs X (XRF) i la mesura d’angles de contacte. L'anàlisi per dispersió de raigs X de gran angle en incidència rasant (GIWAXS) a la línia de llum NCD-SWEET del Sincrotró ALBA va permetre caracteritzar l'estructura cristal·lina de les pel·lícules i obtenir informació detallada sobre les diferències derivades dels dos mètodes ALD.

L'equip va observar que, mentre la T-ALD conservava la hidrofobicitat de l'elèctrode de difusió de gas, la PE-ALD tendia a fer-lo més hidròfil, a causa de diferències en la cristal·linitat i la morfologia superficial. Aquesta variació en la humectabilitat va tenir un impacte significatiu en el rendiment del catalitzador. Les pel·lícules primes hidròfobes de T-In₂S₃ van afavorir un millor accés del CO₂, cosa que es va traduir en taxes de reacció més altes i una menor evolució d'hidrogen. En concret, els catalitzadors T-In₂S₃ van assolir una eficiència faradaica del 93% per a la producció de formiat a una densitat de corrent d'1 A cm⁻², un valor considerat clau per a l'aplicació industrial. A més, els investigadors van comprovar que com més gran era la hidrofobicitat de les pel·lícules obtingudes amb ALD tèrmic, més eficient era l'electrosíntesi de formiat, fet que posa de manifest el paper crucial d'aquesta propietat interficial en el transport eficient del CO₂.

En conclusió, aquest estudi demostra com l'enginyeria interficial mitjançant tècniques de deposició de capes atòmiques pot millorar el rendiment dels electrocatalitzadors. En establir la relació entre la hidrofobicitat i l'augment de l’eficiència en la conversió del CO₂, aquests resultats aporten una base sòlida per al desenvolupament de catalitzadors industrials de nova generació i processos integrats per a la producció de formiat.

Anàlisi GIWAXS obtingut a la línia de llum NCD-SWEET. Figura a) i b): patrons GIWAXS d'una pel·lícula de In₂S₃ (22 nm) dipositada sobre un substrat de SiO₂/Si a una temperatura de 180 °C, mitjançant el procés PE-ALD (a) i el procés ALD tèrmic (b). c): patró de difracció de raigs X (XRD) de les pel·lícules de In₂S₃ dipositades pels processos PE-ALD i T-ALD a 180 °C, obtingut a partir de la integració azimutal dels patrons GIWAXS bidimensionals (2θ amb radiació Cu Kα) i els patrons de referència de l'ICSD.