خوشه‌های نانومس نوین: نجات‌بخش مقابله با آلایندگی کربن!

نقش کلیدی مس در تحقیقات پیشرفته

اگرچه مس (Cu) به اندازه طلا یا نقره جذابیت ندارد، اما تنوع شگفت‌انگیز آن، آن را در تحقیقات پیشرفته بی‌نظیر کرده است. تلاش مشترک دانشمندان از دانشگاه توهوکو، دانشگاه علوم توکیو و دانشگاه آدلاید، روش نوآورانه‌ای را برای افزایش انتخاب‌پذیری و پایداری فرآیندهای کاهش الکتروشیمیایی CO2 معرفی کرده است. با مهندسی سطوح نانوکلسترهای مس (NCs) در سطح اتمی، این تیم امکانات جدیدی را برای فناوری‌های تبدیل کربن کارآمد و دوستدار محیط زیست گشوده است.

این دستاورد نه تنها پتانسیل تحول‌آفرین مس در شیمی پایدار را نشان می‌دهد، بلکه تأثیر حیاتی همکاری‌های جهانی در مواجهه با چالش‌های مهمی چون انتشار کربن را نیز برجسته می‌کند. نتایج این تحقیق در تاریخ ۴ دسامبر ۲۰۲۴ در نشریه Small منتشر شد.

تبدیل CO2 به محصولات ارزشمند

واکنش‌های کاهش الکتروشیمیایی CO2 (CO2RR) در سال‌های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند، زیرا این واکنش‌ها می‌توانند CO2 اضافی موجود در جو را به محصولات با ارزش تبدیل کنند. در میان نانوکاتالیزورهای مختلف مورد مطالعه، نانوکلسترها به دلیل مزایای خاص خود نسبت به نانوذرات بزرگ‌تر، به عنوان یک گزینه برجسته شناخته شده‌اند. در این خانواده، نانوکلسترهای مس (Cu NCs) پتانسیل بالایی را نشان می‌دهند و می‌توانند محصولات متنوعی را تولید کنند، فعالیت کاتالیزوری بالایی داشته باشند و از پایداری خوبی برخوردار باشند.

با وجود این مزایا، دستیابی به کنترل دقیق بر انتخاب‌پذیری محصولات در مقیاس صنعتی همچنان یک چالش بزرگ باقی مانده است.

تحقیقات جدید در زمینه بهینه‌سازی نانوکریستال‌های مس برای تبدیل پایدار CO2

در حال حاضر، تحقیقات به شدت بر روی بهبود ویژگی‌های نانوکریستال‌های مس (Cu NCs) متمرکز است تا پتانسیل کامل آن‌ها برای تبدیل پایدار CO2 را آزاد کند. پروفسور یوئیچی نگیشی از دانشگاه توهوکو توضیح می‌دهد: “برای دستیابی به این پیشرفت، تیم ما مجبور بود نانوکریستال‌ها را در مقیاس اتمی تغییر دهد.” او ادامه می‌دهد: “این کار بسیار چالش‌برانگیز بود زیرا هندسه نانوکریستال‌ها به شدت به بخش‌های دقیقی که باید تغییر می‌دادیم وابسته بود. این مانند تلاش برای جابجایی یک ستون حمایتی در یک ساختمان است.”

آن‌ها با تغییر لیگاندهای تیول (PET: 2-فنیل‌اتان‌تیول؛ CHT: سیکلوهگزان‌تیول)، دو نانوکریستال Cu₁₄ با معماری ساختاری یکسان سنتز کردند. غلبه بر این محدودیت نیازمند توسعه یک استراتژی کاهش کنترل‌شده بود که امکان ایجاد دو نانوکریستال ساختاری یکسان با لیگاندهای متفاوت را فراهم کرد — که این گامی مهم در طراحی نانوکریستال‌ها به شمار می‌رود.

با این حال، تیم تحقیقاتی مشاهده کرد که پایداری این نانوکریستال‌ها متفاوت است و این تفاوت‌ها به تعاملات بین خوشه‌ای مربوط می‌شود. این تفاوت‌ها نقش حیاتی در شکل‌دهی به پایداری این نانوکریستال‌ها در کاربردهای کاتالیزوری ایفا می‌کنند. اگرچه این نانوکریستال‌ها هندسه‌های تقریباً یکسانی دارند که ناشی از دو لیگاند تیول مختلف است، اما هنگام آزمایش فعالیت کاتالیزوری آن‌ها برای کاهش CO2، انتخاب‌پذیری محصولات به‌طور قابل‌توجهی متفاوت بود. این تفاوت‌ها بر کارایی کلی و انتخاب‌پذیری فرآیند کاهش CO2 تأثیر می‌گذارد.

نگیشی در پایان می‌گوید: “این یافته‌ها برای پیشرفت طراحی نانوکریستال‌های مس که پایداری را با انتخاب‌پذیری بالا ترکیب می‌کنند، حیاتی هستند و راه را برای فناوری‌های الکتروشیمیایی کارآمدتر و قابل‌اعتمادتر در کاهش CO2 هموار می‌کنند.”