کشفی نوین: کنترل محصولات کاهش CO2 با مس!

کاهش انتشار CO2 و تبدیل آن به منبع انرژی

افزایش انتشار دی‌اکسید کربن (CO2) به تسریع گرمایش جهانی و تغییرات اقلیمی کمک می‌کند. اما اگر دانشمندان بتوانند CO2 اضافی را به یک منبع انرژی بالقوه تبدیل کنند، چه اتفاقی می‌افتد؟ کاهش الکتروشیمیایی یک روش امیدوارکننده برای دستیابی به این هدف است. در این فرآیند که با استفاده از کاتالیزورها انجام می‌شود، CO2 به محصولاتی مانند مونوکسید کربن (CO)، متان (CH4)، اتانول (C₂H₆O) یا اسید فرمیک (HCOOH) تبدیل می‌شود.

با این حال، موانعی در مسیر دستیابی به تولید صنعتی 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 که بتوانند مسیرهای واکنش را تحت تأثیر قرار دهند و احتمال تولید محصولات خاص را افزایش دهند.

یک گروه از محققان از دانشگاه توهوکو، دانشگاه علوم توکیو و دانشگاه وندربیلت به فلز چندمنظوره مس روی آورده‌اند و از آن به عنوان کاتالیزور برای کاهش الکتروشیمیایی CO2 استفاده کرده‌اند تا به کنترل خاصیت تولید محصولات دست یابند. با کنترل ساختار معماری مس در مقیاس نانو، آن‌ها توانستند مس را به خوشه‌های نانو با قطر کمتر از ۲ نانومتر شکل دهند و بدین ترتیب کارایی آن را به عنوان کاتالیزور افزایش دهند.

جزئیات تحقیقات آن‌ها در تاریخ ۲۸ نوامبر ۲۰۲۴ در مجله Small Science منتشر شد.

کشف نانوکلاسترهای مسی به عنوان کاتالیزورهای مقرون به صرفه برای کاهش CO2

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

تیم تحقیقاتی با ایجاد نقاط فعال خاص از طریق نقص‌های عمدی در ساختار مکعبی مس، عملکرد نانوکلاسترها را بهبود بخشید. با جابجایی اندک برخی از اتم‌های مس، آن‌ها از اتصال لیگاندهای محافظ سطح به نواحی خاص جلوگیری کرده 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 را 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 نانوکلاسترهایی 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 نانوکلاسترهای مسی را به عنوان یک کاتالیزور مقرون به صرفه برای کاهش CO2 نشان می‌دهد و تأکید می‌کند که چگونه طراحی ساختاری آن‌ها بر انتخاب‌پذیری محصولات تأثیر می‌گذارد.” این پیشرفت‌ها می‌تواند به توسعه مواد عملکردی جدید از منابع در دسترس کمک کند و به ایجاد آینده‌ای پایدارتر منجر شود.