研究人员在应对气候变化方面取得了重大突破。他们最近的研究揭示了一种新的方法，了解二氧化碳如何被再利用来创造燃料和化学品。这一进展为优化这一由可再生电力驱动的催化过程打开了大门。
费利茨·哈伯研究所的界面科学部门在《自然通讯》上发表的一项新研究，展示了应对气候变化斗争中的重要进展。该研究标题为“氮掺杂碳上的可逆金属簇形成，以亚纳米精度控制电催化剂粒子尺寸”，探索了一种开创性的方法，以理解如何将二氧化碳（CO2）回收以生产有价值的燃料和化学品。这项工作为进一步完善利用可再生能源的催化过程奠定了基础。
这一发现主要依赖于由细散铜和氮原子嵌入碳中形成的催化剂的奇妙特性。在电催化CO2还原（CO2RR）过程中，这种将CO2转化为有用物质的技术，催化剂可以在状态之间切换——从单独的铜原子转变为小簇和名为纳米颗粒的更大金属实体，并在施加的电位被调整或移除时恢复。这种控制可逆转变的能力对于塑造催化剂的结构至关重要，结构直接影响CO2RR过程的产出，因为生成的特定产品在很大程度上依赖于催化剂的结构。
操控催化剂颗粒的尺寸和结构的能力解决了将CO2RR技术规模化应用中的一个重大问题。在过去，反应产品的分布差异使得高效生成与工业需求相关的特定化学品和燃料变得具有挑战性。这项研究提供了一种通过调整催化剂的状态来精确管理CO2RR产品分布的方法。此外，该方法使研究人员能够识别催化剂的哪些特定结构特征导致生产不同的反应产品。
过程如何运作
该方法采用交替电脉冲。要促使CO2转化，需要负电（阴极）电位，但这也会触发铜纳米颗粒的形成。随后，正电（阳极）脉冲会逆转该过程，将纳米颗粒转回为单个原子。通过调整这些电脉冲的持续时间，研究人员可以影响形成的纳米颗粒的尺寸，并决定催化剂主要包含单个原子、非常小的金属簇，还是更大的铜纳米颗粒。每种配置对于生产各种CO2RR产品是最佳的；例如，单个铜原子在产生氢方面表现优越，小簇更适合于甲烷生产，而较大的纳米颗粒则更适合于乙烯的生成。
为了实时观察和微调催化剂的转变，研究团队利用了操控快速X射线吸收光谱法。这种尖端方法使科学家能够以亚秒精度监测催化剂在反应过程中的变化，从而确保生成所需的CO2RR产品的最佳条件。
对未来科学研究的启示
这项研究不仅提升了我们对催化剂动态及操作过程中发生的重要结构变化的理解，还揭示了CO2还原反应（CO2RR）。它说明了操控催化剂的结构如何影响该过程。虽然这些发现为降低温室气体和生产可持续化学品及燃料的技术进步提供了潜在途径，但从根本上说，它们在科学研究上是一项值得注意的飞跃，为该领域未来的发展铺平了道路。
