Учёные заставили медь работать по-другому: спиральная структура мешает образованию водорода

Спиральная структура медного электрода позволила подавить побочную реакцию выделения водорода при электрохимическом восстановлении углекислого газа. Результаты получили исследователи Национальной лаборатории Скалистых гор США, Университета Колорадо в Боулдере и Корейского института энергетических технологий.

При восстановлении CO₂ на медных электродах возникает конкуренция между несколькими химическими путями. Один из них приводит к нужным углеродсодержащим продуктам, а другой запускает образование водорода. Из-за этого часть электричества расходуется не на переработку углекислого газа, а на нежелательную реакцию.

Исследователи решили изменить не химический состав меди, а её структуру. Электрод изготовили методом электроосаждения с использованием хирального шаблона. В результате поверхность меди приобрела выраженную винтовую, или хиральную, форму. Были созданы варианты структуры с противоположным направлением закрутки.

Ключевую роль здесь играет эффект хирально-индуцированной спиновой селективности, или CISS. В такой структуре движение электронов связано с их спином, из-за чего на поверхности электрода возникает спиновая поляризация. Исследователи подтвердили её экспериментально с помощью измерений временно́й динамики эффекта Керра.

По данным работы, спиновая поляризация затрудняет образование связи H-H. Именно этот этап необходим для формирования молекулярного водорода, поэтому побочная реакция ослабевает. Освободившийся реакционный потенциал может использоваться для превращения CO₂ в другие продукты.

В экспериментах использовали раствор бикарбоната калия, насыщенный CO₂, с концентрацией 1 М и pH 7,8. Электрохимические характеристики сравнивали для хиральных и обычных медных электродов. Авторы показали, что спиральная медь меняет селективность процесса и способствует образованию формиата наряду с CO.

Источник: nlr