Мідь змінили незвичайним способом: вчені навчили її блокувати небажану реакцію
Дослідники знайшли спосіб змінити поведінку мідного каталізатора без зміни самого металу — вони надали йому спіральної, хіральної форми. Така конструкція впливає на спін електронів і, за даними експериментів, зменшує небажане утворення водню під час перетворення CO₂ на корисні хімічні речовини.
Повідомляє NNews із посиланням на дослідження вчених Національної лабораторії Скелястих гір (National Laboratory of the Rockies).
Головна проблема — водень
Електрохімічне перетворення вуглекислого газу може давати корисні продукти, зокрема чадний газ (CO) та форміат. Але процес має серйозного конкурента — реакцію, під час якої замість продуктів із CO₂ утворюється водень.
Це знижує ефективність системи: частина електронів витрачається на небажану реакцію.
Саме цю проблему команда дослідників спробувала вирішити за допомогою незвичайної конструкції мідного електрода.
Мідь отримала «ліву» або «праву» форму
Вчені виготовили електроди зі спіральними структурами міді за допомогою електроосадження та хірального шаблону.
Хіральність означає, що структура може мати дві дзеркальні форми — умовно «ліву» і «праву». Як людські руки: вони схожі, але не можуть повністю накластися одна на одну.
Для хімії така геометрія може мати значно серйозніші наслідки, ніж здається.
Дослідники використали ефект хірально-індукованої спінової селективності (CISS). Він полягає в тому, що під час руху електронів через хіральну структуру перевага може надаватися певному напрямку їхнього спіну.
Тобто форма каталізатора фактично починає впливати на те, як поводяться електрони.
«Скручена» мідь змінила результати реакції
Електроди випробували в розчині насиченого CO₂ гідрокарбонату калію при кімнатній температурі.
Хіральна мідь продемонструвала менше утворення водню, водночас продовжуючи виробляти чадний газ і форміат.
На звичайних, нехіральних електродах такого ефекту не спостерігали.
«Ми спостерігали ефективне виробництво бажаних продуктів — чадного газу та форміату — одночасно з придушенням утворення водню», — пояснив один із авторів дослідження.
Вчені перевірили, чи справді працює спін
Самого факту зміни продуктів було недостатньо. Дослідникам потрібно було з’ясувати, чи пов’язаний ефект саме зі спіном електронів.
Для цього вони використали надшвидку оптичну методику TRKE — time-resolved Kerr ellipticity. Вона дозволяє відстежувати процеси, пов’язані зі спіном електронів, на дуже коротких часових масштабах.
Експеримент показав накопичення спіну на поверхні хіральної міді. Це стало доказом на користь запропонованого механізму: спіральна структура справді може створювати спінову поляризацію на поверхні матеріалу.
Чому це заважає утворенню водню
Дослідники припускають, що спінова поляризація створює несприятливі умови для формування молекулярного водню.
Для утворення молекули H₂ два атоми водню мають сформувати зв’язок із відповідним спіновим станом електронів. Якщо доступні електрони мають переважно певну спінову орієнтацію, цей шлях реакції може ставати менш вигідним.
У результаті частина реакційного ресурсу залишається для перетворення CO₂ на інші продукти.
Це можна порівняти з фільтром: каталізатор не просто прискорює потрібну реакцію, а частково перекриває шлях для небажаної.
Чому відкриття важливе
Поки що йдеться не про готовий промисловий каталізатор. Дослідження демонструє передусім механізм, який потенційно можна використовувати для підвищення селективності CO₂-електролізерів.
Зазвичай під час створення каталізаторів інженери працюють із матеріалом, структурою поверхні, температурою, тиском та складом електроліту.
Тепер до цього списку може додатися ще один параметр — «хіральність» каталізатора та пов’язаний із нею спін електронів.
Якщо цей підхід вдасться масштабувати, він потенційно дозволить зменшити частку небажаного водню та отримувати більш цільові хімічні продукти з CO₂.
Це може працювати не лише з вуглекислим газом
Дослідники припускають, що аналогічний принцип можна перевірити й для інших електрохімічних реакцій.
Зокрема, хіральні каталізатори потенційно можуть використовуватися там, де під час відновлення спостерігається сильна конкуренція з утворенням водню — наприклад, у реакціях за участю азоту або монооксиду вуглецю.
Тобто головна ідея роботи значно ширша за конкретний мідний електрод: геометрія каталізатора може стати інструментом керування спіном електронів, а через нього — і напрямком хімічної реакції.
Чому це важливо
Перетворення CO₂ на корисні хімічні речовини має сенс лише тоді, коли система може робити це достатньо вибірково. Якщо значна частина електроенергії йде на побічну реакцію з утворенням водню, ефективність процесу падає.
Нова робота показує, що для вирішення цієї проблеми можна змінювати не лише хімічний склад каталізатора, а й буквально його «форму» та поведінку електронів на поверхні.
Це поки фундаментальний результат, але він відкриває ще один напрямок у розробці технологій перетворення CO₂.
Цікавий факт: хіральність добре відома в біології — багато молекул існують у дзеркальних формах, і живі організми можуть розрізняти їх. У цьому дослідженні подібний принцип використали вже не для біомолекул, а для керування електронами в металевому каталізаторі.
