化学：オペランド研究によって明らかになったCO₂電解還元のための活性銅ナノ結晶粒

二酸化炭素（CO₂）の電解還元によって、燃料や化学物質の持続可能な合成が促進される。銅（Cu）によって、CO₂から多炭素生成物（C₂₊）への変換が可能になるが、動作条件下での活性部位の性質はまだよく分かっていない。重要なことに、高性能Cuナノ触媒の活性部位の特定には、ナノスケールの時間分解オペランド技術が必要になる。今回我々は、Cuナノ触媒のライフサイクルにおける構造ダイナミクスを包括的に調べた結果を提示する。7 nmのCuナノ粒子集団は、電解の際に金属Cuナノ結晶粒に変化した後、電解後の空気への曝露によって完全に酸化し、単結晶Cu₂Oナノキューブになる。オペランド分析と四次元電気化学液体セル走査型透過電子顕微鏡法によって、CO₂還元条件下での金属Cuナノ結晶粒の存在が示された。相関高エネルギー分解能時間分解X線分光法では、ナノ粒界に豊富に存在する金属Cuが、C–C結合のために配位不足の活性部位を支えていることが示唆された。構造と活性の定量的相関からは、金属Cuナノ結晶粒の割合が大きいほどC₂₊選択性が高くなることが示された。7 nmのCuナノ粒子集団は、活性Cuナノ結晶粒の割合が1で、活性Cuナノ結晶粒が3分の1の18 nmのCuナノ粒子集団より6倍高いC₂₊選択性を示すことが分かった。このマルチモードのオペランド技術の相関は、電気化学的条件下でのナノ触媒の複雑な構造変化に関する我々の基本的理解を前進させる強力なプラットフォームとなる。

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