Исследователи из университетов Тохоку (Япония), Токийского университета науки (Япония) и Университета Вандербильта (США) совместно разработали атомно-точный нанокластер на основе меди, который демонстрирует высокую стабильность и исключительную селективность в реакциях электрохимического восстановления углекислого газа (CO₂). Результаты исследования были опубликованы в Journal of the American Chemical Society 26 июня 2025 года.
В центре открытия — уникальный нанокластер (НК)
Архитектуры Cu(0) являются отличными катализаторами, но нестабильны; в то время как Cu(I) — это «безопасный» и стабильный вариант, который впоследствии не так эффективен и универсален в качестве катализатора. В отличие от обычных кластеров, исследователи обнаружили, что включение одного атома Cu(0) в архитектуру, где преобладает Cu(I), значительно изменяет электронный ландшафт материала. Это небольшое изменение имеет большое значение.
«Это исследование демонстрирует новую парадигму в дизайне металлических нанокластеров», — говорит профессор Юичи Негиши из университета Тохоку. «Точно модулируя электронную структуру, мы расширили каталитический потенциал материалов на основе меди».
Используя ацетиленовую сажу в качестве поддерживающего материала, команда провела электролиз с контролируемым потенциалом в атмосфере CO₂. При приложенном потенциале −1,2 В по сравнению с RHE нанокластер Cu₂₃ достиг фарадеевской эффективности около 26% для муравьиной кислоты и около 2,6% для моноксида углерода, продемонстрировав значительное улучшение селективности продукта.
Расчётный анализ подтвердил эти результаты, показав, что кластер Cu₂₃ обеспечивает образование благоприятного промежуточного соединения при более низком предельном потенциале — достижение, которого не наблюдалось в ранее описанных нанокластерах на основе Cu(I).
Расчёты показали, что этот активный центр эффективно стабилизирует ключевой промежуточный продукт HCOO, что имеет решающее значение для производства муравьиной кислоты (HCOOH). Также была выявлена исключительная стабильность этого материала даже после каталитической реакции.
Это новаторское открытие подчёркивает, как целенаправленное включение одного атома Cu(0) в нанокластер меди может кардинально повлиять на его каталитическое поведение. Стабилизируя критические промежуточные соединения и направляя селективность продукта, эта стратегия предлагает новое направление для разработки функциональных наноматериалов из распространённых на Земле металлов.
Исследование не только открывает новые возможности в технологиях использования CO₂, но и предоставляет план для рационального проектирования электрокатализаторов следующего поколения, направленных на решение глобальных задач устойчивого развития.
Предоставлено университетом Тохоку.