Один активный атом в нанокластере повысил эффективность катализатора для «зеленого» аммиака

Международная группа исследователей обнаружила, что нанокластер меди (Cu₁₄) с единственным открытым атомом меди демонстрирует рекордную селективность (~80%) и скорость производства аммиака (NH₃) в реакции электрохимического восстановления нитрат-ионов (eNO₃^-RR).

Схема реакции электрохимического восстановления нитрат-ионов (eNO₃-RR). Используя воду как источник электронов и протонов, а нитраты из сточных вод — как источник азота, можно синтезировать аммиак при комнатной температуре и давлении с помощью электроэнергии из возобновляемых источников. Автор: ACS Catalysis (2025). DOI: 10.1021/acscatal.5c04431

Это открытие важно для создания «зеленого» аммиака — перспективного чистого топлива, не выделяющего CO₂ при сгорании. Традиционный промышленный синтез аммиака (процесс Габера — Боша) требует высоких температур и давлений, нанося ущерб экологии. Новая технология позволяет получать аммиак в мягких условиях, используя нитраты из загрязнённой воды.

(a) Геометрическая структура нанокластера Cu₁₄ с открытыми атомами меди и (b) без них. Атомы меди в характерном мотиве CuS₃ не закрыты лигандами и могут служить активными центрами. Автор: ACS Catalysis (2025). DOI: 10.1021/acscatal.5c04431

Ключевым достижением стала разработка метода контролируемого синтеза нанокластеров, где путём подбора тиолатных лигандов (SR) удалось либо «открыть», либо «скрыть» активные атомы меди на поверхности. Катализатор с открытым активным центром (E-Cu₁₄/CB) показал фарадеевскую эффективность производства аммиака 78%.

(a) Фарадеевская эффективность и (b) скорость производства аммиака и ток в реакции eNO₃-RR. Нанокластер Cu₁₄ с открытыми атомами меди показал высокую селективность и скорость производства. Автор: ACS Catalysis (2025). DOI: 10.1021/acscatal.5c04431

Скорость синтеза аммиака на новом катализаторе оказалась в 2,72 раза выше, чем у аналога без открытых центров, и в 5,69 раза выше, чем у обычных наночастиц меди. Это доказывает, что даже один открытый активный атом может кардинально повысить эффективность катализатора.

Исследование, проведённое учёными из Университета Тохоку, Индийского технологического института в Индоре и Университета Далхаузи, было опубликовано в журнале ACS Catalysis 9 декабря 2025 года. Открытие прокладывает путь к созданию высокоэффективных и селективных катализаторов на основе металлических нанокластеров для «зелёной» энергетики.