نانوخوشه‌های مسی جدید: راهکاری برای کاهش آلودگی CO2

پیشرفت‌های جدید در کاهش الکتروشیمیایی CO2 با مس

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

این پیشرفت نه تنها پتانسیل تحول‌آفرین مس در شیمی پایدار را به نمایش می‌گذارد، بلکه تأثیر حیاتی همکاری‌های جهانی در حل چالش‌های فوری مانند انتشار کربن را نیز برجسته می‌کند. نتایج این تحقیق در تاریخ ۴ دسامبر ۲۰۲۴ در نشریه Small منتشر شد.

اهمیت کاهش الکتروشیمیایی CO2

واکنش‌های کاهش الکتروشیمیایی CO2 (CO2RR) در سال‌های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند، زیرا این فرآیندها می‌توانند CO2 اضافی موجود در جو را به محصولات با ارزش تبدیل کنند. در میان نانوکاتالیزورهای مختلفی که مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، نانوکلسترها به دلیل مزایای خاص خود نسبت به نانوذرات بزرگ‌تر، به عنوان گزینه‌ای برجسته شناخته شده‌اند. در این خانواده، نانوکلسترهای مس (Cu NCs) با ارائه محصولات متنوع، فعالیت کاتالیستی بالا و پایداری، نویدبخش هستند.

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 نانوذرات مس برای تبدیل پایدار CO2

تحقیقات کنونی به شدت بر روی بهبود ویژگی‌های نانوذرات مس (Cu NCs) متمرکز شده 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 نانوذرات را در مقیاس اتمی تغییر دهد.” او ادامه می‌دهد: “این کار بسیار چالش‌برانگیز بود زیرا هندسه نانوذرات به اجزای دقیقی که باید تغییر می‌کردند، بستگی داشت. این مانند تلاش برای جابه‌جایی یک ستون حمایتی در یک ساختمان بود.”

آن‌ها با تغییر لیگاندهای تیول (PET: 2-فنیل‌اتان‌تیول؛ CHT: سیکلوهگزان‌تیول) در سطح نانوذرات، موفق به سنتز دو نانوذره Cu₁₄ با معماری ساختاری یکسان شدند. غلبه بر این محدودیت نیازمند توسعه یک استراتژی کاهش کنترل‌شده بود که امکان ایجاد دو نانوذره ساختاری یکسان با لیگاندهای متفاوت را فراهم کرد که این خود یک گام مهم در طراحی نانوذرات به شمار می‌رود.

با این حال، تیم تحقیقاتی تفاوت‌هایی در پایداری این نانوذرات مشاهده کرد که به تعاملات بین‌خوشه‌ای نسبت داده می‌شود. این تفاوت‌ها نقش مهمی در شکل‌دهی به پایداری نانوذرات در حین کاربردهای کاتالیزوری ایفا می‌کنند. اگرچه این نانوذرات هندسه‌های تقریباً یکسانی دارند که از دو لیگاند تیول مختلف ناشی می‌شود، اما هنگام آزمایش فعالیت کاتالیزوری آن‌ها برای کاهش CO2، انتخاب‌پذیری محصولات به‌طور قابل توجهی متفاوت بود. این تفاوت‌ها بر کارایی کلی و انتخاب‌پذیری فرآیند کاهش CO2 تأثیر می‌گذارد.

نگیشی نتیجه‌گیری می‌کند: “این یافته‌ها برای پیشرفت طراحی نانوذرات مس که پایداری را با انتخاب‌پذیری بالا ترکیب می‌کنند، حیاتی هستند و راه را برای فناوری‌های الکتروشیمیایی کارآمدتر و قابل اعتمادتر در کاهش CO2 هموار می‌سازند.”