Perpustakaan Digital ITB

Pada abad ke-21, peningkatan kadar gas rumah kaca, khususnya karbon dioksida (CO2), menimbulkan tantangan yang signifikan, terutama didorong oleh lonjakan konsumsi energi primer global dan ketergantungan pada bahan bakar fosil. Untuk mengatasi masalah ini, pemanfaatan CO2 untuk memproduksi bahan bakar sintetis, khususnya melalui reduksi elektrokimia, telah muncul sebagai solusi yang menjanjikan. Disertasi ini mendalami eksplorasi struktur grafena murni dan grafena dengan vakansi tunggal (SV) yang diolah dengan logam transisi (TM) untuk mengkatalisis reduksi elektrokimia CO2. Investigasi ini menggunakan teori fungsional kerapatan (DFT) untuk menganalisis berbagai parameter, termasuk celah pita, keadaan kerapatan parsial, distribusi muatan, dan sifat adsorpsi, dengan fokus pada logam selama aktivasi CO2. Kami menyelidiki aktivasi CO2 pada grafena murni dan grafena dengan vakansi tunggal (SV) menggunakan perhitungan prinsip pertama. Energi adsorpsi, sifat geometris, dan redistribusi muatan dari SV graphene ke TM dianalisis. Grafena murni tidak dapat mengaktifkan CO2; namun, TM pada permukaan grafena murni dan SV menawarkan alternatif potensial untuk aktivasi CO2. Di antara situs dengan simetri tinggi, TM pada grafena SV menunjukkan energi adsorpsi tertinggi, menunjukkan kesesuaian yang unggul untuk aktivasi CO2. Analisis Kepadatan Keadaan (DOS) dan Kepadatan sebagian keadaan (PDOS) mengungkapkan bahwa orbital d Ti, Co, Cu, dan Ni secara signifikan berkontribusi terhadap puncak di dekat tingkat Fermi, yang didominasi oleh orbital p atom karbon. Orbital d Pt berkontribusi secara simetris terhadap puncak pita konduksi, sedangkan orbital d Zn dan Sn tidak. Analisis perbedaan kepadatan muatan menunjukkan akumulasi muatan negatif di sekitar semua TM, yang mengindikasikan transfer muatan dari atom karbon. Temuan ini menegaskan bahwa Ti, Ni, Cu, Zn, dan Sn memiliki redistribusi muatan yang tidak cukup untuk menginduksi pembengkokan CO2 secara signifikan, sehingga menghasilkan interaksi yang lemah dengan CO2. Sebaliknya, Co dan Pt pada grafena SV menunjukkan aktivasi CO2 yang efektif, memposisikan konfigurasi ini sebagai kandidat yang menjanjikan untuk katalis generasi berikutnya dalam CO2RR elektrokimia. Selanjutnya, reduksi CO2 menjadi CO dan HCOOH melalui jalur transfer dua elektron/proton juga dipertimbangkan. Pada permukaan katalitik Co dan Pt, kami dapat memperoleh CO dan molekul air dengan mereduksi CO2. Produk akhir (CO + H2O) pada permukaan katalitik Co diperoleh dengan energi reaksi sebesar -0,443 eV. Saat mereduksi CO2 menjadi HCOOH, reaksi menghadapi energi masing-masing sebesar 0,8525 eV dan 0,0828 eV melalui mekanisme jalur A dan B. Sebaliknya, untuk permukaan katalitik Pt, energi reaksi (CO + H2O) adalah -0,422 eV, dan untuk HCOOH mengalami energi reaksi masing-masing sebesar 0,1065 eV dan 0,7533 eV melalui mekanisme jalur A dan B. Jalur A mereduksi CO2 menjadi HCOOH melalui zat antara karboksilat, sedangkan Jalur B melalui zat antara format. Melihat penghalang aktivasi energi tinggi melalui jalur format, membuat reaksi tidak menguntungkan secara kinetik. Sebagai sebuah kesimpulan, baik reaksi CO maupun asam format akan berjalan baik melalui zat antara karboksilat, tetapi tidak melalui jalur format.