Koperen nanoclusters maken controle van CO₂-reductieproducten mogelijk

De stijgende CO₂-uitstoot versnelt de opwarming van de aarde en de klimaatverandering. Maar wat als wetenschappers overtollige CO₂ zouden kunnen hergebruiken in een potentiële energiebron?

Elektrochemische reductie is een veelbelovende manier om dit te bereiken. Door dit door een katalysator aangedreven proces wordt CO₂ omgezet in producten zoals koolmonoxide (CO), methaan (CH₄), ethanol (C₂H₆O) of mierenzuur (HCOOH). Toch blijven er nog steeds barrières bestaan ​​bij de pogingen om de productie van specifieke producten op industriële schaal te verwezenlijken.

Dit komt omdat bij CO₂-reductie de reactie tot verschillende mogelijke uitkomsten kan leiden. Wetenschappers experimenteren daarom met manieren om de reactieroutes te beïnvloeden, waardoor het waarschijnlijker wordt dat er specifieke producten worden gevormd.

Een groep onderzoekers van Tohoku University, de Tokyo University of Science en Vanderbilt University heeft zich tot het veelzijdige metaal koper gewend en het gebruikt als katalysator voor elektrochemische CO₂-reductie, om controleerbare productspecificiteit te bereiken. Door de structurele architectuur van koper op nanoschaal te beheersen, konden ze het koper nauwkeurig omvormen tot nanoclusters met een diameter van minder dan 2 nm, waardoor de efficiëntie van het gebruik ervan als katalysator werd verbeterd.

Details van hun onderzoek waren gepubliceerd in Kleine wetenschap op 28 november 2024.

“We hebben door defecten geïnduceerde koperen nanoclusters onderzocht als een kosteneffectief alternatief voor nanoclusters van edelmetalen, en deze afgestemd op de productie van specifieke producten met een hoge energiedichtheid”, zegt Yuichi Negishi, professor aan het Institute of Multidisciplinaire Research for Advanced Materials (IMRAM) van Tohoku University. ).

Het team verbeterde de prestaties van de nanoclusters door specifieke actieve sites te creëren door opzettelijke defecten in de kubieke koperstructuur. Door enkele koperatomen enigszins te ontwrichten, voorkwamen ze dat oppervlaktebeschermende liganden zich aan bepaalde gebieden hechtten, waardoor deze plekken bloot bleven.

Deze ontwrichte atomen verschenen niet alleen op de hoeken van de kubus, maar ook langs de randen ervan, en vormden een netwerk van reactieve locaties die ideaal zijn voor CO₂-reductie. Dankzij deze unieke opstelling van koperatomen kon het team de reactie effectiever sturen, waardoor de selectiviteit en efficiëntie van de gewenste producten werden verbeterd.

Uit tests bleek dat nanoclusters met één gemodificeerd hoekpunt zeer selectief waren voor de productie van methanol (CH₃OH). Naarmate het aantal defectlocaties toenam, verschoof de selectiviteit echter naar andere producten.

“Ons onderzoek onderstreept het potentieel van koperen nanoclusters als betaalbare katalysator voor CO₂-reductie, en benadrukt hoe hun structurele ontwerp de productselectiviteit beïnvloedt”, voegt Negishi toe.

Dergelijke ontwikkelingen zouden de ontwikkeling van nieuwe functionele materialen uit direct beschikbare bronnen kunnen stimuleren, waardoor mogelijk een duurzamere toekomst kan worden gecreëerd.