Молекулярный беспорядок воды помогает превращать углеродные отходы в ценные топливные продукты

Молекулы воды становятся более неупорядоченными на поверхности катализатора. Исследователи обнаружили, что эта неупорядоченная пограничная вода, показанная в переходе от структурированного (слева) к хаотичному (справа) состоянию, играет ключевую роль в ускорении превращения монооксида углерода в этилен — ценное топливо и химический строительный блок. Автор: Сёдзи Холл

Учёные из Университета Пенсильвании под руководством материаловеда Сёдзи Холла обнаружили, что манипулирование поверхностью воды позволяет устойчиво преобразовывать монооксид углерода (CO) в более энергоёмкие топливные источники, такие как этилен (C₂H₄).

По мере накопления антропогенных загрязнителей CO и CO₂ в атмосфере Земли, усугубляя изменение климата и угрожая экологическому балансу, исследователи ищут новые способы переработки этих веществ в более чистые источники энергии и продукты.

Многоатомные соединения, такие как этилен, обладают потенциалом превратить углеродную угрозу в преимущество. Эта молекула удерживается прочными связями, образованными общими электронами углеродных атомов. При разрыве этих связей (например, при сгорании) высвобождается запасённая энергия, что делает такие соединения полезным топливом. Если же связи остаются целыми, они могут служить строительными блоками для множества товаров — от упаковки до текстиля и фармацевтики.

Однако химия превращения CO и CO₂ в многоатомные продукты, такие как C₂H₄, известна своей сложностью. Даже популярные катализаторы, например медные, часто производят нежелательные побочные продукты или расходуют энергию в побочных реакциях.

Теперь группа исследователей под руководством материаловеда и инженера Энтони Сёдзи Холла из Университета Пенсильвании обнаружила неожиданного союзника в борьбе за преобразование углеродных отходов в полезные продукты — поверхность воды.

Их исследование, опубликованное в журнале Nature Chemistry, показывает, что, точно регулируя концентрацию соли (перхлората натрия, NaClO₄) в воде, можно нарушить упорядоченную водородную сеть молекул воды на границе раздела жидкости с металлами, такими как медь. Этот процесс, известный как электрохимический катализ, использует электричество, воду и металлические поверхности для преобразования CO в многоатомные соединения, такие как C₂H₄.

«Этот "хаос" молекул воды на границе раздела — где жидкость встречается с твёрдым металлом — оказался недостающим звеном для соединения атомов углерода, шагом, который долгое время ограничивал нашу способность превращать CO в этилен и другие многоатомные соединения», — говорит Холл, доцент кафедры материаловедения и инженерии.

Исследователи провели эксперименты с медными электродами, погружёнными в солевой раствор CO. По мере увеличения концентрации NaClO₄ эффективность преобразования CO в этилен возросла с 19% до 91%, а производство водорода (нежелательного побочного продукта) почти прекратилось.

Дальнейшие эксперименты с тяжёлой водой (D₂O) показали, что ключевую роль играет не перенос протонов, а энтропия — возрастающий беспорядок молекул воды на границе раздела, который облегчает связывание атомов углерода.

«В большинстве исследований электрохимического катализа мы фокусируемся на энергии активации — идее, что снижение энергетического барьера ускоряет реакцию. Но здесь движущей силой является энтропия. Это необычно и открывает новый способ мышления о контроле поверхностной химии», — объясняет Холл.

Это открытие имеет широкие перспективы, поскольку вода является универсальным компонентом электрохимических систем — от преобразования CO₂ до конструкции батарей. Исследование предполагает, что инженеры могут точно настраивать структуру пограничной воды для улучшения широкого спектра реакций.

В будущем лаборатория Холла планирует применить эту стратегию к более сложным реакциям, например, связыванию углерода с азотом для производства предшественников удобрений.

Дополнительная информация: Hao Zhang et al, Disordered interfacial H₂O promotes electrochemical C–C coupling, Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01859-z

Источник: University of Pennsylvania