1264
Мідний каталізатор зі «спіральною» будовою може дати вченим новий інструмент для керування тим, що відбувається, коли вуглекислий газ перетворюють на корисні хімічні речовини. Зазвичай цей процес ускладнює побічна реакція: замість карбонових продуктів активно утворюється водень. Команда дослідників з Національної лабораторії Скелястих гір (NLR) показала, що скручування міді в гвинтову, хіральну структуру дозволяє маніпулювати спіном електронів на її поверхні й тим самим «відтиснути» водень під час відновлення CO₂.
Як повідомляє видання Interesting Engineering, такий хіральний мідний каталізатор може стати новим способом спрямувати реакцію CO₂‑відновлення в бік корисних вуглецевих продуктів.
Як «закручена» мідь фільтрує спін електронів
Дослідники виготовили електроди з гвинтовими мідними структурами за допомогою електроосадження з використанням хірального шаблонного реагента. Хіральність означає, що об’єкт існує у двох версіях — «лівій» і «правій», які є дзеркальними відображеннями одна одної, подібно до людських рук.
Ключовою ідеєю став ефект хірально індукованої селективності за спіном (CISS). Коли електрони проходять крізь хіральну структуру, вона може віддавати перевагу певному напрямку спіну над іншим. Скручена мідь фактично працює як фільтр для спіну електронів.
Електроди випробували під час електрохімічного відновлення CO₂ у насиченому CO₂ розчині 1 М бікарбонату калію (KHCO₃) при pH 7,8. Хіральна мідь демонструвала зниження виділення водню, натомість утворювалися чадний газ (CO) і формат. Відповідні не хіральні електроди такого ефекту не показували.
Ця робота продовжує ширші зусилля з розроблення електрохімічних систем, що перетворюють CO₂ на палива та хімікати. Один з авторів дослідження, Ван де Лагемаат (Van de Lagemaat) з NLR, зазначає, що хіральні структури дали ефективний вихід CO та формату й водночас придушили утворення водню, тоді як електроди без хіральності такого впливу не мали. Це свідчить про сильний вплив хіральної будови каталізатора на перебіг реакцій.
Прямі докази ролі спіну
Самої зміни складу продуктів було недостатньо — потрібно було довести, що справді задіяний спін електронів. Для цього команда застосувала часово-роздільну Керрову еліптичність (TRKE) — надшвидкий оптичний метод, здатний виявляти зміни, пов’язані зі спіном.
У досліді використовували надшвидкий струм Зеєбека для генерування носіїв заряду зі заданою поляризацією спіну й відстежували їхній рух у матеріалі. Вимірювання показали накопичення спін-поляризованих електронів на поверхні хіральної міді, що підтвердило: саме гвинтова структура створює спінову поляризацію.
Запропонована хімічна картина виглядає доволі інтуїтивною. Молекула водню складається з двох атомів, і їхні електронні спіни повинні правильно спаруватися, щоб утворився зв’язок H–H. Оскільки формування H–H потребує відповідного спінового спарювання, дослідники припускають, що спінова поляризація на поверхні електрода робить утворення водню менш вигідним. Воднева еволюція пригнічується, а більше електронів спрямовується на шляхи відновлення CO₂ з утворенням CO та формату.
Хіральність як новий важіль керування каталізом
Робота вписується в зростаючу хвилю досліджень хіральності й спіну як інструментів керування електрокаталізом. Наприклад, у публікаціях 2024 року обговорювали дедалі численніші докази ефекту CISS та можливості керувати за його допомогою транспортом електронів і хімічними реакціями. В іншій роботі з використанням гвинтово закручених нанопластинок золота отримали високу вибірковість утворення CO.
Однак нове дослідження з міддю відрізняється тим, що робить акцент саме на зв’язку між виміряною спіновою поляризацією та пригніченням конкуруючої водневої реакції, одночасно з утворенням CO і формату.
Самі автори не подають мідний електрод як уже готовий промисловий каталізатор. Натомість їхні результати дають докази механізму, який у майбутньому може допомогти інженерам створювати CO₂‑електролізери з вищою вибірковістю, зменшуючи витрати, пов’язані з небажаним воднем і сумішшю продуктів.
Інші групи паралельно працюють над електродами, що захоплюють CO₂ і безпосередньо перетворюють його на мурашину кислоту. Ідея хіральних каталізаторів може виходити далеко за межі CO₂‑відновлення: команда припускає, що подібні підходи здатні допомогти контролювати реакції відновлення азоту чи чадного газу, де воднева еволюція теж сильно конкурує.
Ширше значення роботи в тому, що проєктуючи каталізатори, вчені можуть враховувати вже не лише хімічний склад, структуру поверхні та умови реакції. «Право-» чи «лівообернена» будова та спін, який вона задає електронам, можуть стати ще одним важелем, за допомогою якого керують хімічними перетвореннями. Дослідження опубліковане в журналі Nature Energy.
Кручений мідний каталізатор спрямовує CO₂‑реакцію й пригнічує водень з’явилася спочатку на Цікавості.
