استفاده از قدرت مس برای کنترل محصولات کاهش CO2

تبدیل دی‌اکسید کربن اضافی به منبع انرژی

افزایش انتشار دی‌اکسید کربن (CO2) باعث تسریع در گرم شدن جهانی و تغییرات اقلیمی شده است. اما اگر دانشمندان قادر باشند دی‌اکسید کربن اضافی را به یک منبع انرژی بالقوه تبدیل کنند، چه خواهد شد؟ کاهش الکتروشیمیایی یک روش امیدوارکننده برای رسیدن به این هدف است. در این فرآیند مبتنی بر کاتالیزور، CO2 به محصولاتی مانند مونوکسید کربن (CO)، متان (CH4)، اتانول (C₂H₆O) یا اسید فرمیک (HCOOH) تبدیل می‌شود.

با این حال، هنوز موانعی برای دستیابی به تولید صنعتی مقیاس بزرگ از محصولات خاص وجود دارد. این به این دلیل است که در فرآیند کاهش CO2، واکنش می‌تواند به چندین نتیجه بالقوه منجر شود. بنابراین، دانشمندان در حال آزمایش روش‌هایی هستند تا مسیرهای واکنش را تحت تأثیر قرار دهند و احتمال تولید محصولات خاص را افزایش دهند.

گروهی از محققان از دانشگاه توهوکو، دانشگاه علوم توکیو و دانشگاه واندربیلت به فلز چندمنظوره مس روی آورده و از آن به عنوان کاتالیزور برای کاهش الکتروشیمیایی CO2 استفاده کرده‌اند تا به خاصیت کنترل‌پذیر محصولات دست یابند. با کنترل ساختار معماری مس در مقیاس نانو، آن‌ها توانستند مس را به نانوکلاسترهایی با قطر کمتر از 2 نانومتر شکل دهند و به این ترتیب کارایی آن را به عنوان کاتالیزور افزایش دهند.

جزئیات تحقیقات آن‌ها در تاریخ 28 نوامبر 2024 در نشریه Small Science منتشر شد.

کشف نانوکلسترهای مسی به عنوان جایگزینی اقتصادی برای نانوکلسترهای فلزات گرانبها

یویچی نگیشی، استاد مؤسسه تحقیقات چندرشته‌ای مواد پیشرفته دانشگاه توهوکو (IMRAM)، می‌گوید: “ما نانوکلسترهای مسی ناشی از نقص را به عنوان یک گزینه اقتصادی برای نانوکلسترهای فلزات گرانبها بررسی کردیم و آن‌ها را به گونه‌ای طراحی کردیم که محصولات خاصی با چگالی انرژی بالا تولید کنند.”

تیم تحقیقاتی با ایجاد نقاط فعال خاص از طریق نقص‌های عمدی در ساختار مکعبی مس، عملکرد نانوکلسترها را بهبود بخشید. با جابجایی جزئی برخی از اتم‌های مس، آن‌ها از اتصال لیگاندهای محافظت‌کننده سطح به نواحی خاص جلوگیری کردند و این نقاط را در معرض دید قرار دادند. این اتم‌های جابجا شده نه تنها در گوشه‌های مکعب، بلکه در طول لبه‌های آن نیز ظاهر شدند و شبکه‌ای از نقاط واکنشی ایده‌آل برای کاهش CO2 تشکیل دادند.

این آرایش منحصر به فرد اتم‌های مس به تیم اجازه داد تا واکنش را به طور مؤثرتری هدایت کنند و انتخاب‌پذیری و کارایی محصولات مورد نظر را بهبود بخشند. آزمایش‌ها نشان داد که نانوکلسترهایی با یک راس تغییر یافته، انتخاب‌پذیری بالایی برای تولید متانول (CH₃OH) دارند. اما با افزایش تعداد نقاط نقص، انتخاب‌پذیری به سمت محصولات مختلف تغییر کرد.

نگیشی اضافه می‌کند: “تحقیقات ما پتانسیل نانوکلسترهای مسی را به عنوان کاتالیزور کاهش CO2 با هزینه مناسب نشان می‌دهد و تأکید می‌کند که چگونه طراحی ساختاری آن‌ها بر انتخاب‌پذیری محصولات تأثیر می‌گذارد.” چنین پیشرفت‌هایی می‌تواند به توسعه مواد عملکردی جدید از منابع در دسترس کمک کند و به ایجاد آینده‌ای پایدارتر منجر شود.