Импульсный ток повышает эффективность меди в преобразовании CO₂ в топливо

Автор: Институт Фрица Хабера Общества Макса Планка

Ученые из Департамента науки о поверхностях Института Фрица Хабера исследовали, как применение импульсного электрического потенциала к монокристаллическим медным поверхностям в качестве модельных катализаторов может улучшить их способность преобразовывать диоксид углерода (CO₂) в топливо, такое как этилен и этанол. Ключ к достижению настройки селективности заключается в контроле импульсно-индуцированных структурных и химических преобразований катализатора. Это исследование предлагает идеи, которые могут помочь сократить выбросы CO₂ и производить возобновляемые источники энергии.

Исследование опубликовано в журнале Nature Catalysis.

Быстрая индустриализация и обезлесение во всем мире привели к значительному увеличению выбросов диоксида углерода (CO₂), который является основным фактором глобального изменения климата. Решение этой проблемы требует инновационных подходов как для сокращения выбросов, так и для преобразования неизбежно производимого CO₂ в полезные продукты. Медь оказалась многообещающим катализатором для этого преобразования, особенно в образовании ценных химических соединений, таких как этилен и этанол.

Команда под руководством доктора Томаса Шмидта и профессора Беатрис Ролдан Куэнья применила недавно разработанный метод с использованием импульсных потенциалов в электрохимических обработках в сочетании с методами спектро-микроскопической характеризации (LEEM/XPEEM), чтобы понять и в конечном итоге настроить электро-каталитические свойства хорошо определенных медных поверхностей.

Фасетирование поверхности, наблюдаемое после квази в естественных условиях импульсного CO₂RR (активированная поверхность была достигнута за счет структурной модификации поверхности Cu(100) после импульсного CO₂RR в течение 15 минут). Автор: Nature Catalysis (2025). DOI: 10.1038/s41929-025-01387-6

Понимание науки

В исследовании использовались передовые спектро-микроскопические методы для наблюдения этих изменений на микроскопическом уровне. Исследователи обнаружили, что импульсные обработки создают два вида уникальных поверхностных структур на меди. Во время анодного импульса образуются структуры, похожие на перевернутые пирамиды, с определенными боковыми гранями, благодаря селективному по месту растворению меди в электролите. Кроме того, при этом анодном импульсе (+0,6 В) поверхность меди окисляется, что приводит к образованию пленки Cu(I) толщиной около 1 нм.

Интересно, что при последующем катодном импульсе (-1 В) восстанавливается только самая верхняя часть этой пленки до металлической Cu, что приводит к сэндвич-подобной структуре: ~0,5 нм толстая пленка металлической меди на ~0,5 нм толстом подповерхностном слое Cu(I) на объемном кристалле металлической меди. Обе структуры — грани и подповерхностный оксид — важны для усиленного производства этилена и этанола.

В частности, сосуществование металлических и Cu₂O видов, по-видимому, усиливает производство этанола, в то время как ступенчатые в основном металлические поверхности приводят к увеличению выхода этилена. Это понимание предоставляет ценную обратную связь для теоретических моделей и помогает уточнить понимание каталитического поведения меди.

Это исследование открывает многообещающий путь для разработки устойчивых энергетических решений. Повышая эффективность преобразования CO₂, эти результаты могут привести к более эффективным способам повторного использования «убийц климата» парниковых газов, таких как диоксид углерода, для производства возобновляемого топлива. Инновационное использование импульсных обработок электрическим потенциалом на медных поверхностях представляет собой шаг вперед в поиске более чистых энергетических технологий.

Больше информации: Liviu C. Tănase et al, Morphological and chemical state effects in pulsed CO₂ electroreduction on Cu(100) unveiled by correlated spectro-microscopy, Nature Catalysis (2025). DOI: 10.1038/s41929-025-01387-6

Источник: Max Planck Society