利用螺旋形銅催化劑抑制氫氣生成以促進二氧化碳還原反應

一種具有「手性」形狀的催化劑可能為科學家提供一種新方法，以控制二氧化碳轉化為有用化學品的過程。將二氧化碳轉化為有用化學品的過程，由於產生氫氣的非預期副反應而變得複雜，這一問題令科學家困擾多年。然而，現時洛基山國家實驗室（NLR）的一組研究人員找到了解決辦法。在他們的最新研究中，顯示將銅扭曲成螺旋手性結構能夠操控其表面的電子自旋，並利用該自旋在二氧化碳還原過程中將氫氣推開。

他們的手性銅催化劑或可為二氧化碳還原引導至有用的碳產品提供新途徑。

手性銅催化劑的製造

銅的扭曲研究人員利用手性模板試劑通過電沉積法製造了具有螺旋銅結構的電極。手性簡單來説是指一個物體擁有左右手版本，彼此為鏡像，就像人類的手一樣。關鍵概念是手性誘導自旋選擇性（CISS）效應。當電子通過手性結構時，該結構能偏好一個方向的電子自旋。因而，扭曲的銅可以在某種程度上作為電子自旋的過濾器。研究小組在 pH 7.8 的 1 M 碳酸氫鉀（KHCO₃）溶液中進行二氧化碳還原實驗，結果顯示手性銅在產生一氧化碳和甲酸的同時，氫氣的產生減少。

相應的非手性電極則未顯示相同行為。這一發現基於更廣泛的努力，旨在發展將二氧化碳轉化為有用燃料的電化學系統。

研究作者之一的 Van de Lagemaat 表示：「我們觀察到在進行二氧化碳還原反應時，使用手性結構時所產生的目標一氧化碳和甲酸產品效率高，而氫氣的產生則受到抑制，但當我們使用無手性電極時並不顯示此行為。這告訴我們，具有手性的催化結構對這些反應有著強烈的影響。」

自旋極化的證據

觀察電子自旋的運作然而，僅僅觀察產物的變化並不足夠。研究人員需要證據來證明自旋確實參與其中。他們使用時間分辨 Kerr 橢圓度（TRKE）這一超快光學技術來檢測與電子自旋相關的變化。實驗中使用超快的 Seebeck 電流來產生自旋極化載流子，並跟蹤其在材料中的運動。測量顯示手性銅表面存在自旋積累，支持了螺旋結構創造自旋極化的觀點。所提出的化學反應令人驚訝地直觀。氫分子包含兩個氫原子，其電子自旋必須適當配對以形成 H–H 鍵。

由於 H–H 鍵的形成需要適當的電子自旋配對，研究人員提出這種自旋極化使得氫的形成變得不利。因此，氫的產生受到抑制，為來自二氧化碳的途徑留下更多機會，以產生一氧化碳和甲酸。

這項工作基於對手性和自旋的日益研究，作為控制電催化的工具。例如，2024 年的一篇文章探討了手性誘導自旋選擇性日益增長的證據，以及它如何用於控制電子傳輸和化學反應。後來的一項研究則利用螺旋扭曲的金納米片報告了高度選擇性的一氧化碳生產。然而，與這些方法不同的是，新的銅研究專注於將測量到的自旋極化與抑制競爭性氫反應的關聯，同時產生一氧化碳和甲酸。

未來的催化劑設計

化學工廠的新控制旋鈕研究人員並不將銅電極視為已完成的工業催化劑。相反，該研究提供了機制的證據，最終可能幫助工程師使二氧化碳電解槽更加選擇性，從而潛在地降低不必要的氫和混合產品的相關成本。其他研究人員也在開發捕獲二氧化碳並直接轉化為甲酸的電極。這一理念可能超越二氧化碳。研究小組建議手性催化劑或可幫助控制涉及氮或一氧化碳的還原反應，因為氫的產生可能強烈競爭。更廣泛的意義在於，催化劑設計或許不再僅僅集中於組成、表面結構和反應條件。

催化劑的手性及其對電子施加的自旋可能成為引導化學反應的另一種方式。該研究已發表於《自然能源》期刊。

手性催化劑對二氧化碳還原的影響

這項研究展示了手性催化劑在二氧化碳還原反應中的潛力，特別是如何通過操控電子自旋來抑制氫氣的生成。這不僅為化學品的生產提供了新途徑，還可能改變催化劑的設計理念，強調手性及自旋在反應中的重要性。隨著對這些新概念的深入研究，未來的催化劑可能會更具選擇性，從而提升二氧化碳轉化的效率，對應對氣候變化具有重要意義。