Uniek koperen nanoclusterontwerp verhoogt de selectiviteit voor CO₂-reductie

Hoewel het bescheiden koper (Cu) misschien niet de aantrekkingskracht van goud of zilver heeft, maakt zijn opmerkelijke veelzijdigheid het van onschatbare waarde in baanbrekend onderzoek. Een gezamenlijke inspanning van wetenschappers van Tohoku University, de Tokyo University of Science en de University of Adelaide heeft een methode onthuld om de selectiviteit en duurzaamheid van elektrochemische CO te verbeteren₂ reductieprocessen.

Door de oppervlakken van Cu-nanoclusters (NC’s) op atomair niveau te engineeren, heeft het team nieuwe mogelijkheden ontsloten voor efficiënte en milieuvriendelijke koolstofconversietechnologieën. Deze doorbraak toont niet alleen het transformerende potentieel van Cu in de duurzame chemie, maar benadrukt ook de cruciale impact van mondiale samenwerking bij het aanpakken van urgente uitdagingen zoals koolstofemissies.

De resultaten waren gepubliceerd in het journaal Klein op 4 december 2024.

Elektrochemische CO₂ reductiereacties (CO₂RR) hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen vanwege hun potentieel om overtollig CO2 in de atmosfeer te transformeren₂ in waardevolle producten. Van de verschillende onderzochte nanokatalysatoren zijn NC’s een opvallende verschijning vanwege hun duidelijke voordelen ten opzichte van grotere nanodeeltjes.

Binnen deze familie zijn Cu NC’s veelbelovend gebleken, omdat ze de vorming van variabele producten, hoge katalytische activiteit en duurzaamheid bieden. Ondanks deze voordelen blijft het bereiken van nauwkeurige controle over productselectiviteit op industriële schaal een uitdaging. Als gevolg hiervan is het huidige onderzoek intensief gericht op het verfijnen van deze eigenschappen om het volledige potentieel van Cu NC’s voor duurzame CO2 te ontsluiten.₂ conversie.

“Om deze doorbraak te bereiken moest ons team NC’s op atomaire schaal aanpassen”, legt professor Yuichi Negishi van de Tohoku Universiteit uit. “Het is echter een hele uitdaging omdat de geometrie van de NC’s sterk afhankelijk was van de precieze onderdelen die we moesten veranderen Het was alsof je een steunpilaar van een gebouw probeerde te verplaatsen.”

Ze synthetiseerden met succes twee Cu₁₄ NC’s met identieke structurele architecturen door de thiolaatliganden (PET: 2-fenylethaanthiolaat; CHT: cyclohexaanthiolaat) op hun oppervlakken te veranderen. Het overwinnen van deze beperking vereiste de ontwikkeling van een zorgvuldig gecontroleerde reductiestrategie, die de creatie van twee structureel identieke NC’s met verschillende liganden mogelijk maakte – een belangrijke stap voorwaarts in het NC-ontwerp.

Het team observeerde echter variaties in de stabiliteit van deze NC’s, toegeschreven aan verschillen in interclusterinteracties. Deze verschillen spelen een cruciale rol bij het vormgeven van de duurzaamheid van deze NC’s tijdens katalytische toepassingen.

Hoewel deze NC’s vrijwel identieke geometrieën delen, afgeleid van twee verschillende thiolaatliganden, vertonen ze een aanzienlijk verschillende productselectiviteit wanneer hun katalytische activiteit voor CO₂ reductie werd getest. Deze variaties hebben invloed op de algehele efficiëntie en selectiviteit van de CO₂RR.

Negishi concludeert: “Deze bevindingen zijn cruciaal voor het bevorderen van het ontwerp van Cu NC’s die stabiliteit combineren met hoge selectiviteit, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor efficiëntere en betrouwbaardere elektrochemische CO₂ reductietechnologieën.”