"Одноатомные" катализаторы являются логической конечной точкой этого уменьшения размеров: металл больше не присутствует в виде частиц, а в виде отдельных атомов, закрепленных на поверхности более дешевого материала носителя. Отдельные атомы больше не могут быть описаны с помощью правил, разработанных для более крупных кусков металла, поэтому правила, используемые для прогнозирования, какие металлы будут хорошими катализаторами, должны быть изменены – теперь это было достигнуто в TU Wien. Оказывается, одноатомные катализаторы на основе гораздо более дешевых материалов могут быть еще более эффективными.
Эти результаты опубликованы в журнале Science.
Меньше иногда лучше
Только внешние атомы куска металла могут играть роль в химических процессах – в конце концов, атомы внутри никогда не контактируют с окружающей средой.
Поэтому для экономии материала лучше использовать крошечные металлические частицы вместо больших комков, чтобы большая часть атомов находилась на поверхности. Если мы дойдем до предела и будем использовать отдельные атомы, каждый атом станет химически активным. За последнее десятилетие область катализа «одиночный атом» значительно расширилась и достигла больших успехов.
Неправильная модель, правильное решение
«Причины, по которым некоторые драгоценные металлы являются хорошими катализаторами, были исследованы еще в 1970-х годах», – говорит проф.
Гарет Паркинсон из Института прикладной физики Венского технического университета. «Например, Герхард Эртль был удостоен Нобелевской премии по химии в 2007 году за предоставление сведений о катализе в атомном масштабе."
В куске металла электрон больше нельзя отнести к конкретному атому; электронные состояния возникают в результате взаимодействия многих атомов. «Для отдельных атомов старые модели больше не применимы», – говорит Гарет Паркинсон. «Отдельные атомы не имеют общих электронов, как металл, поэтому электронные зоны, энергия которых была ключом к объяснению катализа, в данном случае просто не существуют."
Поэтому Гарет Паркинсон и его команда в последние годы интенсивно исследуют атомные механизмы, лежащие в основе этого одноатомного катализа. «Во многих случаях металлы, которые мы считаем хорошими катализаторами, остаются хорошими катализаторами в виде отдельных атомов», – говорит Гарет Паркинсон. "В обоих случаях за это ответственны одни и те же электроны, так называемые d-электроны."
Индивидуальные свойства благодаря индивидуализированным поверхностям
В одноатомном катализе возникают совершенно новые возможности, недоступные при использовании обычных металлических частиц: «В зависимости от поверхности, на которую мы помещаем атомы металла, и от того, какие атомные связи они образуют, мы можем изменить реакционную способность атомов», – объясняет Паркинсон.
В некоторых случаях особо дорогие металлы, такие как платина, уже не обязательно лучший выбор. "Отдельные атомы никеля открывают большие перспективы для окисления окиси углерода. Если мы поймем атомные механизмы одиночного катализа, у нас будет гораздо больше возможностей влиять на химические процессы », – говорит Паркинсон.
Таким образом в TU Wien были точно проанализированы восемь различных металлов – результаты идеально согласуются с теоретическими моделями, разработанными в сотрудничестве с проф.
Чезаре Франкини в Венском университете.
«Катализаторы очень важны во многих областях, особенно когда речь идет о химических реакциях, которые играют важную роль в попытках развития экономики возобновляемых источников энергии», – подчеркивает Гарет Паркинсон. "Наш новый подход показывает, что он не всегда должен быть платиновым.«Решающим фактором является локальное окружение атомов – и если вы выберете его правильно, вы сможете разработать лучшие катализаторы и в то же время сэкономить ресурсы и затраты.