原子レベルの制御で新たな銅ナノクラスターを開発 ― CO₂変換反応の選択的制御が可能なことを実証 ―

2026-07-06 東北大学

東北大学とインド工科大学インドール校などの共同研究グループは、50個の銅原子からなる精密銅ナノクラスターの価数状態(Cu(I)/Cu(II)比)を原子レベルで制御し、CO₂電解還元反応の生成物を選択的に制御することに成功した。研究では、中心に硫化物イオンを内包した新規ナノクラスターS@Cu₅₀を合成し、単結晶X線構造解析により原子構造を決定した。電気化学測定の結果、従来のCu₅₀クラスターでは主生成物がギ酸であったのに対し、S@Cu₅₀ではギ酸生成が大幅に抑制され、燃料・化学原料として有用なメタノールの生成が顕著に促進された。さらに、密度汎関数理論(DFT)計算により、硫化物導入による価数状態の変化が電子構造を変調し、反応中間体の安定性を変えることで反応経路が切り替わることを解明した。本成果は、触媒の電子状態を原子レベルで設計することでCO₂変換反応の生成物を自在に制御できることを示したものであり、カーボンリサイクルや再生可能エネルギーを利用した次世代CO₂資源化技術の実現に向けた重要な設計指針となる。

原子レベルの制御で新たな銅ナノクラスターを開発 ― CO₂変換反応の選択的制御が可能なことを実証 ―
図1. 銅ナノクラスターの構造とCO₂電解還元特性の概要。従来のCu50ナノクラスターでは主にギ酸(HCOO⁻)が生成されるのに対し、硫化物イオンを内包したS@Cu50ナノクラスターではメタノール(CH₃OH)生成が促進される。水素原子は見やすさのため省略した。

<関連情報>

原子レベルの価数状態エンジニアリングにより、銅ナノクラスター上でのCO2電気還元反応の方向転換が可能になる Atomic-Level Valence-State Engineering Redirects CO2 Electroreduction on Cu Nanoclusters

Qilin Li,Mandira Ghosh,Mohd Rashid,Rupa Sarma,Pradip Kumar Mondal,Tokuhisa Kawawaki,Sourav Biswas,Biswarup Pathak,and Yuichi Negishi
JACS Au  Published: June 30, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacsau.6c00817

Abstract

Atomically precise thiolate-protected Cu nanoclusters (NCs) typically suffer from an intrinsic bias toward the two-electron formate pathway in CO2 electroreduction, limiting access to more deeply reduced products. Breaking this selectivity within a structurally well-defined system remains a significant challenge due to the difficulty of precisely tuning the Cu valence states. Here, we address this limitation through atomic-level valence-state engineering by introducing [S@Cu50S12(StBu)20(CF3COO)12] (S@Cu50) NC, featuring a controlled Cu(I)/Cu(II) ratio within a conserved structural framework. Single-crystal analysis reveals a core–shell S@Cu14S12@Cu36 architecture, while XPS confirms an increased Cu(II) population compared to the reference [Cu50S12(StBu)20(CF3COO)12] (Cu50) analogue. Despite similar overall catalytic activity, S@Cu50 exhibits a striking shift in product selectivity during CO2 electroreduction, suppressing formate formation (Faradaic efficiency of <11% vs 38% in Cu50) and enabling CH3OH production with a Faradaic efficiency of ∼19% at –1.0 V vs RHE─absent in the Cu50 system. Density functional theory calculations attribute this mechanistic switching to valence-induced electronic modulation, which stabilizes CO-derived intermediates and promotes sequential hydrogenation toward CH3OH, in contrast to HCOO stabilization in the reference NC. This work establishes that subtle modulation of the Cu(I)/Cu(II) balance can fundamentally redirect reaction pathways, providing a molecular-level strategy to overcome intrinsic selectivity limitations in Cu NC catalysis.

0502有機化学製品
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました