Dans une étape importante vers un avenir neutre en carbone, les chercheurs de l'Université de Tohoku (Japon), de l'Université des sciences de Tokyo (Japon) et de l'Université Vanderbilt (États-Unis) ont développé en collaboration un nanocluster de cuivre atomiquement précis qui démontre une stabilité élevée et une sélectivité exceptionnelle dans les réductions de dioxyde de carbone électrochimique (CO₂). Les résultats ont été publiés dans le Journal de l'American Chemical Society le 26 juin 2025.
La pièce maîtresse de cette découverte est un nanocluster unique (NC) qui combine le meilleur des deux mondes. Les architectures Cu (0) sont d'excellents catalyseurs, mais instables; tandis que Cu (i) est l'option « sûre » et stable qui n'est pas aussi efficace ou polyvalente qu'un catalyseur. Contrairement aux grappes conventionnelles, les chercheurs ont constaté que l'incorporation d'un seul atome de Cu (0) dans une architecture dominée par Cu (I) modifie considérablement le paysage électronique du matériau. Ce petit changement fait une grande différence.
« Cette étude démontre un nouveau paradigme dans la conception des nanoclusters métalliques », explique le professeur Yuichi Negishi de l'Université Tohoku. « En modulant précisément la structure électronique, nous avons élargi le potentiel catalytique des matériaux à base de cuivre. »
En utilisant du noir de carbone comme matériau de support, l'équipe a effectué une électrolyse potentielle contrôlée sous une atmosphère de co₂. À un potentiel appliqué de -1,2 V par rapport à RHE, le nanocluster Cu₂₃ a obtenu une efficacité faradaque de ~ 26% pour l'acide formique et ~ 2,6% pour le monoxyde de carbone – démontrant une amélioration significative de la sélectivité des produits. Cette sélectivité est cruciale pour garantir que l'acide formique plus souhaitable est produit au lieu de sous-produits indésirables comme le monoxyde de carbone.
L'analyse informatique a soutenu ces résultats, montrant que le cluster Cu₂₃ permet la formation de l'intermédiaire favorable à un potentiel limitant inférieur, un exploit non observé dans des nanoclusters basés à Cu (I) précédemment rapportés.
Il peut sembler surprenant qu'un seul atome de Cu (0) intégré au plus profond du cluster puisse affecter la réaction, car il est inaccessible pour la catalyse directe. Cependant, ils ont remarqué des sites actifs à la surface du NC qui permettaient un meilleur accès des réactifs. L'équipe a ensuite identifié la raison pour laquelle un atome Cu (0) avait une si grande différence en utilisant la théorie fonctionnelle de la densité (DFT).
Les calculs ont révélé que ce site actif stabilise efficacement l'intermédiaire clé * HCOO – critique pour la production d'acide formique (HCOOH). Ils ont également identifié la stabilité exceptionnelle de ce matériau même après la réaction catalytique.
Cette découverte révolutionnaire souligne comment l'intégration délibérée d'un seul atome de Cu (0) dans un nanocluster de cuivre peut influencer considérablement son comportement catalytique. En stabilisant les intermédiaires critiques et en guidant la sélectivité des produits, cette stratégie offre une nouvelle direction pour concevoir des nanomatériaux fonctionnels des métaux abondants de la Terre.
La recherche ouvre non seulement de nouvelles voies dans les technologies d'utilisation de la co₂ mais fournit également un plan pour la conception rationnelle des électrocatalyseurs de nouvelle génération visant à s'attaquer aux objectifs mondiaux de durabilité.
