CO₂ и волшебный кластер: ученые нашли ключ к углеродной нейтральности
Один лишний атом меди — и перед нами совсем другой катализатор.
Ученые из Японии и США сделали важный шаг к углеродной нейтральности, создав нанокластер меди, который эффективно превращает CO₂ в полезные вещества.
Исследователи из Университета Тохоку, Токийского университета науки и Университета Вандербильта разработали материал с уникальной структурой: один атом меди в нулевой степени окисления встроен в кластер, где остальные атомы — в степени +1.
Подробности опубликованы в издании Journal of the American Chemical Society.
Обычно медь в нулевой степени — отличный катализатор, но нестабильный, а медь +1, наоборот, стабильна, но менее активна.
Новый материал сочетает преимущества обоих вариантов.
Эксперименты показали, что такой кластер (Cu₂₃) при электролизе CO₂ дает муравьиную кислоту с эффективностью ~26% — это в разы лучше, чем у аналогов.
Мы изменили подход к дизайну нанокластеров, — говорит профессор Юити Негиши. — Теперь можно точно настраивать их свойства, просто добавляя или убирая один атом.
Почему так работает? Расчеты показали, что даже один атом Cu (0) меняет электронную структуру всего кластера. На поверхности образуются активные центры, которые стабилизируют промежуточные частицы (*HCOO), ускоряя образование муравьиной кислоты. При этом материал остается стабильным даже после реакции.
Что это дает
- Более чистый процесс переработки CO₂ без лишних побочных продуктов.
- Возможность создавать катализаторы из доступной меди вместо дорогих металлов.
Это открытие не только продвигает технологии утилизации углекислого газа, но и предлагает новый принцип разработки катализаторов для «зеленой» химии.
Исследование решает две ключевые проблемы:
- Селективность. Большинство катализаторов превращают CO₂ в смесь веществ (CO, метанол, муравьиную кислоту), которую сложно разделять. Здесь же преимущественно образуется муравьиная кислота — востребованный продукт в химической промышленности.
- Стабильность. Медные катализаторы часто деградируют за несколько циклов, а этот кластер сохраняет активность.
Если технологию масштабируют, она может снизить стоимость переработки CO₂ на производствах, например, на цементных заводах или ТЭЦ.
Пока эффективность (~26%) далека от промышленных требований. Для сравнения, современные катализаторы на основе серебра или золота достигают 80-90%. Кроме того, в работе не проверяли долговечность кластера в реальных условиях — только в лабораторном электролизере.
Ранее ученые нашли способ перерабатывать углекислый газ.
