Nel campo delle reazioni elettrochimiche, in particolare quelle che comportano la riduzione del biossido di carbonio (CO₂), i catalizzatori svolgono un ruolo fondamentale nel facilitare la conversione di questo gas serra in prodotti preziosi. Tra questi catalizzatori, il rame si distingue come candidato promettente grazie alla sua elevata selettività per la riduzione della CO₂. Tuttavia, per sfruttare appieno il potenziale dei catalizzatori di rame è necessaria una comprensione più approfondita di come gli atomi vicini nell'ambiente del catalizzatore ne influenzano l'attività e la selettività.

Studi recenti hanno fatto luce sul ruolo cruciale degli atomi vicini nel modulare le prestazioni dei catalizzatori di rame per la riduzione della CO₂. Questi atomi vicini possono migliorare o ostacolare la capacità del catalizzatore di guidare reazioni chimiche specifiche. Ecco come possono influenzare il processo catalitico:

Regolazione del comportamento di adsorbimento della CO₂:gli atomi vicini possono alterare la forza di legame tra la superficie del catalizzatore e la CO₂, influenzando l'adsorbimento iniziale del gas reagente. Modificando la struttura elettronica degli atomi di rame, gli atomi vicini possono rafforzare o indebolire l'adsorbimento di CO₂, influenzando i successivi percorsi di reazione e la distribuzione del prodotto.

Modulazione degli intermedi di reazione:la presenza di atomi vicini può influire sulla stabilità e sulla reattività degli intermedi di reazione formati durante la riduzione della CO₂. Ad esempio, gli atomi di azoto vicini possono stabilizzare alcuni intermedi, promuovendo la formazione di prodotti desiderati come l’etilene o l’etanolo. D'altra parte, gli atomi di ossigeno vicini potrebbero favorire la formazione di prodotti meno desiderabili, come specie di formiato o carbonato.

Promozione del trasferimento di carica:gli atomi vicini possono facilitare il trasferimento di elettroni tra la superficie del catalizzatore e la molecola di CO₂ adsorbita. Questo trasferimento di carica è essenziale per rompere i forti legami carbonio-ossigeno nella CO₂ e avviare il processo di riduzione. Gli atomi vicini con proprietà elettroniche adeguate possono potenziare questo trasferimento di carica, migliorando l'attività e l'efficienza del catalizzatore.

Modifica delle proprietà superficiali del catalizzatore:gli atomi vicini possono modificare le proprietà superficiali del catalizzatore di rame, influenzandone la reattività complessiva. Ad esempio, l'incorporazione di atomi o ligandi metallici specifici può introdurre ulteriori siti attivi o alterare le proprietà elettroniche superficiali, portando a una migliore attività di riduzione e selettività della CO₂.

Comprendendo le interazioni tra gli atomi di rame e gli atomi vicini, i ricercatori possono progettare e ingegnerizzare catalizzatori che presentano prestazioni migliorate per la riduzione elettrochimica della CO₂. Questa conoscenza consente lo sviluppo di sistemi catalitici più efficienti e selettivi, facendo avanzare il progresso verso l’utilizzo della CO₂ come materia prima sostenibile per la produzione di preziosi combustibili e prodotti chimici.