Современная промышленная и прикладная химия активно применяет катализаторы на основе металлорганических соединений. Однако в ходе реакций возникают побочные продукты, включая моноксид углерода. Изменив структуру каталитического нанокластера всего на один атом меди, исследователи значительно уменьшили вредный «выхлоп».
Учёные из Университета Тохоку, Токийского научного университета и Университета Вандербильта совместно создали атомарно точную наночастицу меди, которая демонстрирует стабильность и выдающуюся селективность в электрохимических реакциях восстановления диоксида углерода. Результаты исследования были опубликованы в журнале Американского химического общества 26 июня 2025 года.
Уникальной особенностью этого открытия стала наночастица Cu23, которая объединяет два типа атомов меди. Атомы с нулевой валентностью Cu(0) являются хорошими, хотя и нестабильными катализаторами. Одновалентная медь Cu(I) представляет собой безопасный и стабильный компонент, хотя она менее эффективна и универсальна как катализатор. В отличие от обычных кластеров, добавление одного атома Cu(0) в структуру, где преобладает Cu(I), кардинально изменяет электронный ландшафт материала.
Формула модифицированной наночастицы выглядит так: Cu23H4(SC7H7)18(PPh3)6 (где PPh₃ — трифенилфосфин).
Профессор Юичи Негиши из Университета Тохоку сообщает, что исследование демонстрирует новую парадигму в разработке металлических нанокластеров. Точно регулируя электронную структуру, авторы работы расширили каталитический потенциал меди.
С применением углерода в качестве вспомогательного материала команда провела электролиз с контролируемым потенциалом в атмосфере CO2. Нанокластер показал фарадеевскую эффективность около 26% для муравьиной кислоты и примерно 2,6% для монооксида углерода, что подтверждает значительное улучшение селективности продукта. Данная селективность является критически важной для получения более чистой муравьиной кислоты вместо нежелательных побочных продуктов, таких как монооксид углерода.
Вычислительный анализ подтвердил эти результаты, продемонстрировав, что кластер Cu₂₃ позволяет получать благоприятный промежуточный продукт при более низком предельном потенциале, чего не наблюдалось в ранее изученных нанокластерах на основе одновалентной меди Cu(I).
Удивительно, что один-единственный атом Cu(0), находящийся глубоко внутри кластера и недоступный для прямого катализа, может так значительно влиять на реакцию. Однако учёные обнаружили активные точки на поверхности наночастицы, которые улучшили доступ реагентов внутрь. Далее команда, используя теорию функционала плотности, определила механизм, благодаря которому один атом Cu(0) существенно изменяет выход конечных продуктов.
Расчеты показали, что этот активный центр эффективно стабилизирует ключевой промежуточный продукт — (HCOO)+, необходимый для синтеза муравьиной кислоты (HCOOH). Они также установили исключительную стабильность наноматериала даже после проведения каталитической реакции, что указывает на возможность его многократного использования.
Данное исследование не только открывает новые горизонты в технологиях утилизации CO₂, но и закладывает основу для создания электрокатализаторов следующего поколения, направленных на достижение глобальных целей устойчивого развития.