Содержащие медь наночастицы эффективно свяжут «лишний» углерод
Исследователи из Университета Тохоку (Япония), Токийского научного университета (Япония) и Университета Вандербильта (США) совместно разработали атомарно точную наночастицу меди, которая демонстрирует стабильность и исключительную селективность в электрохимических реакциях восстановления диоксида углерода. Результаты исследования были опубликованы в журнале Американского химического общества 26 июня 2025 года.
Фишкой этого открытия стала уникальная наночастица Cu23, которая сочетает в себе два типа атомов меди. Атомы с нулевой валентностью Cu (0) являются отличными, хотя и нестабильными катализаторами. Одновалентная медь Cu (I) является безопасным и стабильным компонентом, хотя она не так эффективна и универсальна в роли катализатора. В отличие от обычных кластеров, включение одного атома Cu (0) в архитектуру, в которой доминирует Cu (I), в корне изменяет электронный ландшафт материала.
Формула модифицированной наночастицы выглядит так: Cu23H4(SC7H7)18(PPh3)6 (где PPh₃ — трифенилфосфин).
По словам профессора Юичи Негиши из Университета Тохоку исследование демонстрирует новую парадигму в проектировании металлических нанокластеров. Точно модулируя электронную структуру, авторы исследования расширили каталитический потенциал материалов на основе меди.
Используя углерод в качестве вспомогательного материала, команда провела электролиз с регулируемым потенциалом в атмосфере CO2. Нанокластер достиг фарадеевской эффективности ~26% для муравьиной кислоты и ~2,6% для монооксида углерода, что свидетельствует о значительном улучшении селективности продукта. Такая селективность имеет решающее значение для получения более чистой муравьиной кислоты вместо нежелательных побочных продуктов, таких как монооксид углерода.
Вычислительный анализ подтвердил эти результаты, показав, что кластер Cu₂₃ позволяет формировать благоприятный промежуточный продукт при более низком предельном потенциале, чего не наблюдалось в ранее описанных нанокластерах на основе одновалентной меди Cu (I).
Может показаться удивительным, что один-единственный атом Cu (0), расположенный глубоко внутри кластера и недоступный для прямого катализа, способен так повлиять на реакцию. Однако ученые заметили активные точки на поверхности наночастицы, которые позволили улучшить доступ реагентов вглубь. Затем команда, используя теорию функционала плотности, определила механизм, благодаря которому один атом Cu (0) так существенно меняет выход конечных продуктов.
Расчеты показали, что этот активный центр эффективно стабилизирует ключевой промежуточный продукт — (HCOO)+, необходимый для производства муравьиной кислоты (HCOOH). Они также определили исключительную стабильность наноматериала даже после каталитической реакции. Это говорит о возможности его неоднократного использования.
Исследование не только открывает новые возможности в технологиях утилизации CO₂, но и дает основу для рационального проектирования электрокатализаторов следующего поколения, направленных на достижение глобальных целей устойчивого развития.
Недавно Hi-Tech Mail рассказал о роли мантии Земли в процессе минерализации вольфрама и о том, где искать новые месторождения этого ценного стратегического сырья.
