Проблема избытка углекислого газа может стать источником полезного топлива — именно такой поворот предлагают новейшие разработки в области катализа. В центре внимания — совместный проект Университета Тохоку (Япония) и Индийского технологического института в Индоре: ученые создали медный нанокластер, который превращает CO₂ в метанол, заметно сокращая объем нежелательных побочных продуктов.
Медь уже давно считается перспективным и доступным материалом для электрохимических процессов: по сути, это единственный монометаллический катализатор, способный восстанавливать CO₂ до ценных химических веществ и топлива. Но у традиционных медных решений есть серьезный минус: в ходе реакции образуется много формиата — соли муравьиной кислоты. И хотя формиат широко применяется в промышленности, при производстве метанола он выступает как побочный продукт: он «забирает» часть углерода и тем самым снижает выход нужного вещества.
Новый катализатор справляется с этой трудностью благодаря особой конструкции — структуре типа «ядро‑оболочка». Она дает возможность тонко регулировать свойства материала. Ключевым фактором стало управление балансом степеней окисления меди (Cu (I) и Cu (II)) без изменения общей формы катализатора. При сравнении нового нанокластера с ранее известным аналогом выяснилось, что, несмотря на схожую общую активность, продукты реакций у них сильно различаются.
Эксперименты показали ощутимый прогресс: старый катализатор вовсе не давал метанола, а доля формиата достигала примерно 38% по фарадеевскому выходу. У новой разработки выход формиата упал ниже 11%, а метанол стал получаться с выходом около 19% при напряжении −1,0 В относительно обратимого водородного электрода.
Эта работа показывает, что тонкая настройка баланса Cu (I)/Cu (II) может кардинально изменить пути протекания реакций, предоставляя стратегию на молекулярном уровне для преодоления ограничений внутренней селективности в катализе наночастицами меди.
Еще один значимый момент — роль иона сульфида, размещённого в центре нанокластера. Его добавление почти не меняет электронную структуру материала, но этого оказывается достаточно, чтобы иначе выстроить взаимодействие промежуточных продуктов реакции с поверхностью катализатора.
Это исследование стало первым убедительным доказательством того, что точная модуляция валентного состояния меди в нанокластерах напрямую влияет на селективность восстановления CO₂. Такой подход открывает путь к созданию новых катализаторов с управлением свойствами на атомном уровне.
Ранее Наука Mail рассказывала, что найден дешевый способ превращать метан в жидкое топливо.
