نيوكلاستر نحاسي فائق الذرة Cu45 يحول ثاني أكسيد الكربون إلى إيثيلين بنسبة 80%

نجح علماء من جامعة تسينغهوا في بكين في تصنيع أول نيوكلاستر نحاسي فائق الذرة مستقر، المعروف بـ Cu₄₅، وهو تقدم كبير في مجال الكهرباء الكيميائية لتخفيض ثاني أكسيد الكربون. نشرت الدراسة في يناير 2026 في Journal of the American Chemical Society، وأظهرت كفاءة تزيد عن 80% في تحويل CO₂ إلى إيثيلين (C₂H₄)، متجاوزة جميع المحفزات النحاسية السابقة.

**الذرة الفائقة** هي مجموعة ذرات تتصرف كذرة واحدة باستقرار أعلى، تشبه الغازات النبيلة مثل النيون أو الأرغون. فشلت المحاولات السابقة لصنع ذرات نحاسية فائقة بسبب عدم الاستقرار، حيث تتفكك المجموعات بدون قشرة واقية. يتكون Cu₄₅ من 45 ذرة نحاس مرتبة في هيكل إلكتروني مغلق، مغطى بجزيئات عضوية تحميه من التفكك.

يصمد هذا الهيكل في ظروف الكهرباء الكيميائية القاسية، بما في ذلك الجهود العالية والبيئات المائية. تتآكل المحفزات النحاسية التقليدية بسرعة، مما يحد من جدواها الصناعية. يحل استقرار Cu₄₅ هذه المشكلة، مما يتيح دورات متكررة دون فقدان أداء.

في التجارب، استخدم الباحثون الكهرباء لفصل جزيئات CO₂، ثم أعاد Cu₄₅ تركيب ذرات الكربون إلى إيثيلين. يُعد الإيثيلين أساس الصناعة البتروكيماوية، ينتج بلاستيكيات ومضادات تجمد ومطاط صناعي. يتجاوز الطلب العالمي 150 مليون طن سنوياً، معظمها من الوقود الأحفوري. يقدم هذا العملية بديلاً مستداماً بإعادة تدوير CO₂ الجوي.

• كفاءة فاراداي 80%+ لتحويل CO₂ إلى C₂H₄، تفوق المحفزات النحاسية (20-50%).
• يعمل بجهود معتدلة، يقلل الطاقة المستهلكة.
• يحافظ على الاستقرار لفترات طويلة، بخلاف الجسيمات النانوية.

"Cu45 هو أول محفز كهربائي كيميائي نحاسي فائق الذرة محدد جيداً لتحويل CO₂ إلى C₂H₄، يظهر أداءً استثنائياً... يتفوق على جميع مجموعات المحفزات النحاسية المعروفة"، كتب الباحثون.

يتخذ نواة Cu₄₅ هندسة شبه أيكوساهيدرالية، مع إلكترونات منتشرة في قشور (1S² 1P⁶ 1D¹⁰ 2S² 1F¹⁴ 2P⁶ 2D¹⁰)، مما يمنح خمولاً. تحمي الروابط مثل الفوسفين أو الثيول المجموعة من التجمع. أثناء التحفيز، يرتبط CO₂ بمواقع نحاسية غير منسقة، يخضع لنقل إلكترون مع بروتون لتشكيل وسطاء *CO. تتحد هذه إلى *COCO، ثم تختزل إلى إيثيلين.

مقارنة بورقة النحاس الخام (انخفاض التحديد) أو جسيمات Cu النانوية (عدم استقرار)، يعدل دقة Cu₄₅ المواقع الفعالة، يعزز ربط C-Cعقبة رئيسية في تخفيض CO₂ الكهربائي.

يُحدث هذا الاختراق تحولاً في التقاط واستخدام الكربون (CCU). يمكن دمجه مع الكهرباء المتجددة لتحويل الهواء المباشر إلى مواد كيميائية، يغلق حلقة الكربون. التطبيقات المحتملة تشمل:

• إنتاج إيثيلين أخضر للبلاستيكيات بدون نفط.
• توسيع إلى خلايا تحليل كهربائية معيارية للمواقع الصناعية.
• إلهام محفزات فائقة الذرة لتخفيضات أخرى (مثل CO₂ إلى إيثانول، ميثان).

أشار الفريق: "يعطي هذا العمل رؤى جديدة في تصميم مجموعات Cu النانوية القوية للتطبيقات الكهربائية الكيميائية، يمكن تطبيقها على نطاق أوسع في البحث والتطوير التكنولوجي".

التوسع أمر حاسم: العوائد الحالية على نطاق مختبري (ميكرومول). تتطلب المفاعلات الصناعية إنتاجاً بالغرامات ودمج خلايا التدفق. تحليل التكلفة يظهر وفرة النحاس تفضيلاً على المعادن النبيلة مثل الذهب أو الفضة. يركز العمل الجاري على سبائك فائقة الذرة (مثل Cu-Au) لضبط التحديد.

نُشرت في يناير 2026 وسط ضغوط المناخ المتزايدة، تتوافق اكتشاف تسينغهوا مع أهداف الصفر الصافي العالمية. يُجسد Cu₄₅ دور النانوتكنولوجيا الدقيقة في الكيمياء المستدامة، يسرع الانتقال من الكربون الأحفوري إلى المعاد تدويره.