Исследователи из Сколтеха совершили прорыв в области катализа, открыв физические принципы, позволяющие дистанционно «настраивать» свойства сверхтонкого слоя платины в нанокатализаторах. Ключевое открытие заключается в том, что изменяя лишь состав и структуру металлического ядра наночастиц, можно управлять каталитической активностью платиновой оболочки.
В центре исследования находятся наночастицы типа «ядро-оболочка», где ядро из одного или нескольких металлов покрыто сверхтонкой оболочкой из платины. Платина является отличным катализатором для многих химических реакций, но это ограниченный и дорогой ресурс. Новое исследование показывает, что настройка свойств таких наночастиц возможна за счёт двух ключевых рычагов: состава ядра и его внутренней структуры.
С помощью методов компьютерного моделирования на основе теории функционала электронной плотности учёные проанализировали, как на каталитические свойства платиновой оболочки влияют разные металлы в ядре (серебро, золото, медь, иридий, палладий, родий, рутений), а также особая форма ядра – высокоэнтропийный сплав, состоящий из всех этих семи металлов одновременно.
«Наше исследование демонстрирует, что ядро наночастицы выполняет функцию активного модулятора свойств платиновой оболочки. Посредством варьирования химического состава и кристаллического состояния ядра мы получаем прямой контроль над электронной структурой и реакционной способностью поверхности платины», – поясняет ведущий автор работы Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Центра технологий материалов Сколтеха.
Учёные выяснили, что ядро из разных металлов действует на платиновую оболочку сразу в трёх направлениях: меняет её электронные свойства, слегка «сжимает» или «растягивает» её атомную решётку и таким образом настраивает химическую активность платины. Например, если сделать ядро из меди, поверхность платины станет богаче электронами и будет лучше притягивать молекулы кислорода – это ключевой процесс для топливных элементов.
Практический вывод работы состоит в том, что платиновую оболочку нужно делать максимально тонкой. Когда она состоит из одного слоя атомов, влияние ядра усиливается, и каждый атом платины используется с максимальной эффективностью.
«Полученные результаты устанавливают принципы рационального дизайна катализаторов. Комбинация состава ядра – будь то переходный металл или высокоэнтропийный сплав – и его структурного состояния представляет собой два независимых и мощных параметра для точной оптимизации каталитической активности, стабильности и селективности», – отметил соавтор исследования Александр Квашнин, профессор Центра технологий материалов Сколтеха.
Это открытие открывает путь к созданию катализаторов для водородной энергетики и очистки выхлопных газов, которые сохранят высокую эффективность, но будут содержать в разы меньше драгоценной и дефицитной платины, чем современные аналоги. Результаты фундаментального исследования опубликованы в журнале Materials Today Energy.