کشف نانوخوشه‌های مس؛ انقلاب در کاهش آلاینده‌های کربنی

پیشرفت‌های جدید در کاهش الکتروشیمیایی دی‌اکسید کربن با مس

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

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

توجه به واکنش‌های کاهش الکتروشیمیایی دی‌اکسید کربن

واکنش‌های کاهش الکتروشیمیایی دی‌اکسید کربن (CO2RR) در سال‌های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند، زیرا این واکنش‌ها پتانسیل تبدیل CO2 اضافی جو به محصولات با ارزش را دارند. 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) نشان‌دهنده پتانسیل بالایی هستند و امکان تولید محصولات متنوع، فعالیت کاتالیزوری بالا و پایداری را فراهم می‌کنند.

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

تحقیقات جدید در زمینه بهبود خواص نانوذرات مس برای تبدیل پایدار CO2

در نتیجه، تحقیقات کنونی به شدت بر روی بهبود این خواص متمرکز شده‌اند تا پتانسیل کامل نانوذرات مس (Cu NCs) برای تبدیل پایدار CO2 را آزاد کنند. پروفسور یوئیچی نگیشی از دانشگاه توهوکو می‌گوید: “برای دستیابی به این پیشرفت، تیم ما مجبور بود نانوذرات را در مقیاس اتمی تغییر دهد.” او ادامه می‌دهد: “این کار بسیار چالش‌برانگیز است زیرا هندسه نانوذرات به قسمت‌های دقیقی که باید تغییر می‌کردند، وابسته بود. این مانند تلاش برای جابجایی یک ستون پشتیبان در یک ساختمان بود.”

آنها با تغییر لیگاندهای تیولاتی (PET: 2-phenylethanethiolate; CHT: cyclohexanethiolate) 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 یک گام مهم در طراحی نانوذرات به شمار می‌رود.

با این حال، تیم تحقیقاتی تفاوت‌هایی در پایداری این نانوذرات مشاهده کرد که به تفاوت‌های موجود در تعاملات بین خوشه‌ای نسبت داده شد. این تفاوت‌ها نقش مهمی در شکل‌گیری پایداری این نانوذرات در حین کاربردهای کاتالیزوری ایفا می‌کنند. اگرچه این نانوذرات هندسه‌های تقریباً یکسانی دارند که از دو لیگاند تیولاتی متفاوت 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 CO2RR تأثیر می‌گذارند.

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.”