Учёные из «Сколтеха» выявили физические закономерности, которые дают возможность дистанционно «перенастраивать» характеристики ультратонкого платинового покрытия в нанокатализаторах, просто изменяя состав и строение их металлического сердечника. Это прокладывает дорогу к разработке каталитических материалов для водородной энергетики и нейтрализации выхлопов, которые будут столь же высокоэффективными, но потребуют многократно меньше дорогостоящей и редкой платины по сравнению с нынешними решениями. Итоги фундаментальной работы размещены в издании Materials Today Energy. Информацию об этом CNews предоставили в «Сколтехе».
Объектом изучения стали наночастицы формата «ядро-оболочка», где сердцевина из одного или нескольких металлов окружена ультратонким слоем платины. Платина служит отличным катализатором для множества химических превращений, однако её запасы ограничены, а стоимость высока. Специалисты давно работают над методами её предельно рационального использования. Настоящее исследование указывает, что регулировать свойства подобных наночастиц можно с помощью двух основных инструментов: подбора состава ядра и его внутренней архитектуры.
Применяя методы компьютерного моделирования, основанные на теории функционала плотности, исследователи проанализировали, как на каталитический потенциал платиновой оболочки влияют различные металлы в ядре (серебро, золото, медь, иридий, палладий, родий, рутений), а также особая конфигурация сердечника — высокоэнтропийный сплав, включающий все эти семь металлов одновременно. Впервые была детально рассмотрена роль аморфной, то есть лишённой чёткого порядка, структуры ядра в сравнении с обычной кристаллической.
«Наша работа показывает, что ядро наночастицы выступает в роли активного регулятора характеристик платиновой оболочки. Меняя химический состав и кристаллическое состояние сердечника, мы получаем возможность напрямую управлять электронной структурой и реакционной активностью поверхности платины», — отметил ведущий автор исследования Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Центра технологий материалов «Сколтеха».
Нанокатализаторы функционируют не автономно, а под управлением своего ядра. Учёным удалось расшифровать этот механизм: сердечник из разных металлов воздействует на платиновую оболочку одновременно в трёх аспектах. Он способен изменять её электронные свойства, незначительно «сжимать» или «растягивать» её атомную решётку и таким образом корректировать химическую активность платины. К примеру, если создать ядро из меди, поверхность платины обогатится электронами и станет эффективнее притягивать молекулы кислорода — что является ключевым процессом для топливных элементов.
«Результаты исследования определяют базовые принципы для создания катализаторов с оптимальными характеристиками. Сочетание материала ядра — будь то сплав переходных металлов или высокоэнтропийный состав — и его структурных особенностей даёт два независимых и эффективных рычага для тонкой настройки каталитической активности, долговечности и избирательности. Это закладывает фундамент для создания перспективных высокоэффективных систем с пониженным содержанием платины», — отметил соавтор и научный руководитель работы Александр Квашнин, профессор Центра технологий материалов «Сколтеха», возглавляющий Лабораторию промышленно-ориентированного поиска материалов в «Сколтехе».
С практической точки зрения, ключевой вывод заключается в необходимости формирования предельно тонкой платиновой оболочки. При её толщине в один атомный слой влияние ядра становится максимальным, а каждый атом платины задействуется с наивысшей отдачей. Это прокладывает путь к разработке катализаторов, в которых содержание дорогостоящего металла можно значительно сократить без ущерба для его каталитической эффективности.
