Учёные создали нанокластер меди для эффективного преобразования CO₂

Геометрическая структура нанокластера Cu₂₃ [Cu₂₃H₄(SC₇H₇)₁₈(PPh₃)₆] (где SC₇H₇ = p-толуентиолат, а PPh₃ = трифенилфосфин). Атомы водорода (H) на лигандах опущены. Автор: Юити Негиши и др.

В важном шаге на пути к углеродной нейтральности исследователи из Университета Тохоку (Япония), Токийского университета науки (Япония) и Университета Вандербильта (США) совместно разработали атомарно точный нанокластер меди, демонстрирующий высокую стабильность и исключительную селективность в электрохимических реакциях восстановления углекислого газа (CO₂). Результаты исследования были опубликованы в Journal of the American Chemical Society 26 июня 2025 года.

Ключевым элементом открытия стал уникальный нанокластер (NC), сочетающий лучшие свойства двух типов структур. Архитектуры Cu(0) являются отличными катализаторами, но нестабильны, тогда как Cu(I) — стабильный, но менее эффективный вариант. В отличие от традиционных кластеров, учёные обнаружили, что включение всего одного атома Cu(0) в структуру, доминируемую Cu(I), значительно изменяет электронные свойства материала.

«Это исследование демонстрирует новую парадигму в дизайне металлических нанокластеров, — говорит профессор Юити Негиши из Университета Тохоку. — Точная модуляция электронной структуры расширяет каталитический потенциал материалов на основе меди».

Используя углеродную сажу в качестве носителя, команда провела контролируемый потенциостатический электролиз в атмосфере CO₂. При потенциале −1,2 В относительно водородного электрода нанокластер Cu₂₃ показал фарадеевскую эффективность ~26% для муравьиной кислоты и ~2,6% для монооксида углерода, что демонстрирует значительное улучшение селективности продукта.

Фарадеевская эффективность нанокластера Cu₂₃. Автор: Юити Негиши и др.

(a) Адсорбция H на активном центре, (b) DFT-оптимизированные геометрии адсорбции реагента, промежуточного продукта и конечного продукта на активном центре нанокластера Cu₂₃, (c) DFT-рассчитанные энергетические профили соответствующих путей реакции. Автор: Юити Негиши и др.

Компьютерный анализ подтвердил, что кластер Cu₂₃ способствует образованию благоприятного промежуточного продукта при более низком потенциале, что не наблюдалось в ранее изученных нанокластерах на основе Cu(I).

FT-EXAFS спектры референсных образцов (Cu фольга, Cu₂O, CuO) и Cu₂₃/CB до и во время электрохимических измерений. Автор: Юити Негиши и др.

Расчёты показали, что активный центр эффективно стабилизирует ключевой промежуточный продукт *HCOO, критически важный для производства муравьиной кислоты (HCOOH). Также была подтверждена исключительная стабильность материала даже после каталитической реакции.

Это открытие подчёркивает, как целенаправленное включение всего одного атома Cu(0) в медный нанокластер может кардинально изменить его каталитические свойства. Стабилизируя ключевые промежуточные продукты и направляя селективность, этот подход открывает новые возможности для разработки функциональных наноматериалов из доступных металлов.

Исследование не только открывает новые перспективы в технологиях утилизации CO₂, но и предоставляет основу для рационального проектирования электрокатализаторов следующего поколения, направленных на достижение глобальных целей устойчивого развития.

Дополнительная информация: Sourav Biswas et al, Atomically Precise [Cu₂₃H₄(SC₇H₇)₁₈(PPh₃)₆] Nanocluster: Structural Integration of Johnson Solids through a Cu(0) Center and Electrocatalytic Functionality, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c05665

Источник: Tohoku University