Учёные впервые выяснили, как меняются медные катализаторы при преобразовании CO₂

a–d, Структура поверхности и элементное картирование сплава Cu–Ag до и после восстановления CO₂. e–h, Структура поверхности и картирование сплава Cu–Zn до и после восстановления CO₂. i–j, Селективность продукта в зависимости от состава сплава. Автор: Nature Catalysis

Исследователи из Сеульского национального университета впервые в мире выяснили механизм реконструкции медных катализаторов во время электрохимических реакций преобразования CO₂. Открытие объясняет перестройку атомов в структуре поверхности катализатора и предлагает методологию прогнозирования активных центров в рабочих условиях.

Электрохимическое восстановление CO₂ считается ключевой технологией для достижения углеродной нейтральности, позволяющей превращать парниковый газ в ценные химические продукты. Медные катализаторы особенно важны для производства многоуглеродных соединений, таких как этилен и этанол.

In situ наблюдение в жидкофазном TEM образования и роста наночастиц на тонких плёнках Cu–Ag. Автор: Nature Catalysis

Однако традиционные медные катализаторы имеют ограничения в селективности управления реакциями. Сплавление меди с другими металлами создаёт множественные активные центры, но предыдущие исследования не учитывали динамические изменения при реальных реакциях.

Учёные создали карту выбора материалов на основе оксифильности и смешиваемости меди с другими металлами (Ag, Fe, Zn, Pd) и подвергли катализаторы воздействию промышленных условий с высоким током. С помощью просвечивающей электронной микроскопии им удалось зафиксировать изменения структуры поверхности.

Схема механизма реконструкции, управляемого адсорбцией промежуточных продуктов и смешиваемостью металлов. Автор: Nature Catalysis

Исследование показало, что катализаторы Cu–Ag образуют на поверхности наночастицы меди, что способствует преобразованию промежуточных продуктов CO в этанол. В то же время Cu–Zn сплавы сохраняют равномерное распределение элементов, но производят меньше этанола.

Учёные также применили импульсный потенциал для управления кинетикой растворения-переосаждения и смогли сместить селективность Cu–Zn с CO в сторону этанола.

«Это первое исследование, систематически раскрывающее динамическое поведение реконструкции сплавовых катализаторов во время электрохимического восстановления CO₂», — отметил профессор Янг-Чанг Джу.

Результаты работы, опубликованные в Nature Catalysis, предоставляют «карту проектирования» для понимания поверхностной реконструкции медных катализаторов и могут быть применены к более сложным многометаллическим системам.