Рост выбросов CO₂ ускоряет глобальное потепление и изменение климата. Но что, если ученые могли бы перенаправить избыток CO₂ в потенциальный источник энергии?

Электрохимическое восстановление является многообещающим способом достижения этого. Благодаря этому каталитическому процессу CO₂ преобразуется в такие продукты, как оксид углерода (CO), метан (CH₄), этанол (C₂H₆O) или муравьиная кислота (HCOOH). Тем не менее, остаются препятствия в попытках добиться промышленного производства определенных продуктов.

Это связано с тем, что при восстановлении CO₂ реакция может привести к нескольким потенциальным результатам. Поэтому ученые экспериментируют со способами влияния на пути реакции, повышая вероятность образования определенных продуктов.

Группа исследователей из Университета Тохоку, Токийского университета науки и Университета Вандербильта обратились к универсальному металлу меди, используя его в качестве катализатора для электрохимического восстановления CO₂, чтобы добиться контролируемой специфичности продукта. Контролируя структурную архитектуру меди в наномасштабе, они смогли точно формировать медь в нанокластеры диаметром менее 2 нм, тем самым повышая эффективность ее использования в качестве катализатора.

Подробности их исследования были опубликованы в журнале Small Science 28 ноября 2024 года.

«Мы исследовали нанокластеры меди, полученные с помощью дефектов, как экономически эффективную альтернативу нанокластерам благородных металлов, адаптировав их для производства определенных продуктов с высокой плотностью энергии», — говорит Юичи Негиши, профессор Института междисциплинарных исследований перспективных материалов (IMRAM) Университета Тохоку.

Команда улучшила производительность нанокластеров, создав определенные активные участки с помощью преднамеренных дефектов в кубической структуре меди. Слегка сместив некоторые атомы меди, они предотвратили присоединение лигандов, защищающих поверхность, к определенным областям, оставив эти места открытыми.

Эти смещенные атомы появились не только в углах куба, но и вдоль его ребер, образуя сеть реактивных участков, идеальную для восстановления CO₂. Это уникальное расположение атомов меди позволило команде более эффективно направлять реакцию, улучшая селективность и эффективность желаемых продуктов.

Тесты показали, что нанокластеры с одной модифицированной вершиной были высокоселективны для производства метанола (CH₃OH). Однако по мере увеличения числа дефектных участков селективность смещалась в сторону других продуктов.

«Наше исследование подчеркивает потенциал нанокластеров меди как доступного катализатора восстановления CO₂, показывая, как их структурная конструкция влияет на селективность продукта», — добавляет Негиши.

Подобные достижения могут стимулировать разработку новых функциональных материалов из легкодоступных ресурсов, потенциально создавая более устойчивое будущее.