Синий пигмент превратили в эффективный катализатор для переработки CO₂

Ученые из Передового института исследований материалов (WPI-AIMR) Университета Тохоку представили новый подход к электрохимическому восстановлению диоксида углерода (CO₂). Разработав многослойные CoPc/углеродные структуры «ядро-оболочка», команда создала архитектуру катализатора, которая делает преобразование CO₂ в монооксид углерода (CO) стабильным и эффективным.

Схематическое изображение структуры «ядро-оболочка», иллюстрирующее многослойные кристаллы CoPc на углеродной подложке (слева) и соответствующее изображение ПЭМ высокого разрешения (справа). Автор: Applied Catalysis B: Environment and Energy (2026). DOI: 10.1016/j.apcatb.2025.125852

Исследование опубликовано в журнале Applied Catalysis B: Environment and Energy.

В работе сочетались масштабный анализ данных и искусственный интеллект для скрининга 220 молекулярных кандидатов. Фталоцианин кобальта — широко известный как синий пигмент — оказался наиболее эффективным вариантом для селективного производства CO. Это открытие стало основой для создания электродов, оптимизированных для утилизации CO₂.

«Мы хотели выйти за рамки традиционного представления о том, что лучше всего работают изолированные молекулы», — сказал профессор Хироши Ябу, руководивший исследованием. — «Вместо этого наши результаты показывают, что упорядоченное наслоение этих молекул создает гораздо более сильный каталитический эффект».

Команда создала гибридный дизайн, в котором CoPc образует кристаллические слои вокруг проводящих углеродных частиц. Этот многослойный катализатор показал высокую плотность тока и сохранял селективность по CO выше 90% в течение длительной работы, даже в сложных электрохимических условиях.

Сравнение структуры и производительности многослойного гибрида CoPc/KB «ядро-оболочка» в данной работе с предыдущими однослойными молекулярными катализаторами на основе фталоцианина для электроредукции CO₂ в CO. Автор: Applied Catalysis B: Environment and Energy (2026). DOI: 10.1016/j.apcatb.2025.125852

Ключевой вывод исследования заключается в том, что повышенная производительность обусловлена многослойной структурой, а не отдельными молекулами. Эксперименты показали, что упорядоченное наслоение способствует переносу заряда на поверхности катализатора, а теоретические расчеты подтвердили, что этот электронный эффект значительно увеличивает каталитическую активность.

Сравнение ключевых показателей данной работы (красный) с показателями 220 материалов M-N-C из литературы (синий). Автор: Applied Catalysis B: Environment and Energy (2026). DOI: 10.1016/j.apcatb.2025.125852

«Этот проект показывает, как сочетание выбора материалов на основе данных с наномасштабным дизайном может открыть новые направления для переработки CO₂», — добавил Ябу. — «Возможность систематически предсказывать и тестировать структуры поможет нам быстрее двигаться к практическому применению».

Результаты предполагают, что многослойные молекулярные архитектуры могут предложить путь к более эффективным катализаторам не только для преобразования CO₂ в CO, но и для других реакций, ключевых для производства чистой энергии.

Исследователи теперь планируют испытать систему в промышленных условиях и изучить, могут ли аналогичные конструкции улучшить производство водорода или аммиака.

Продемонстрировав, как знакомый материал — когда-то использовавшийся в основном как пигмент — можно переосмыслить для устойчивых технологий, работа подчеркивает роль творческого подхода к дизайну катализаторов в продвижении переработки углерода. Исследование знаменует собой шаг к практическим системам, которые могут помочь сократить выбросы CO₂, одновременно производя топливо и полезные химикаты.

Больше информации: Tengyi Liu et al, Breaking the single-molecule paradigm: Multilayer cobalt phthalocyanine/carbon core-shell structure as the superior active unit for CO2-to-CO electroreduction, Applied Catalysis B: Environment and Energy (2025). DOI: 10.1016/j.apcatb.2025.125852

Источник: Tohoku University