В качестве катализаторов часто используются такие металлы, как золото или платина. В каталитических преобразователях транспортных средств, например, наночастицы платины превращают ядовитый монооксид углерода в нетоксичный CO2 Поскольку платина и другие каталитически активные металлы дороги и редки, используемые наночастицы были созданы со временем все меньше и меньше.
«Одноатомные» катализаторы являются логическим завершением этого сокращения: 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 предсказания того, какие металлы будут хорошими катализаторами, должны быть обновлены - теперь это было достигнуто в Венском техническом университете. Как оказалось, одноатомные катализаторы на основе гораздо более дешевых материалов могут быть даже более эффективными. Эти результаты были опубликованы в журнале Science.
Иногда чем меньше, тем лучше
Только внешние атомы куска металла могут играть роль в химических процессах - ведь атомы внутри никогда не вступают в контакт с окружающей средой. Поэтому для экономии материала лучше использовать крошечные металлические частицы вместо больших кусков, чтобы большая часть атомов находилась на поверхности. Если мы дойдем до предела и будем использовать отдельные атомы, то каждый атом будет химически активен. За последнее десятилетие область «одноатомного» катализа резко выросла, достигнув больших успехов.
Неправильная модель, правильное решение
«Причины, по которым некоторые драгоценные металлы являются хорошими катализаторами, были исследованы еще в 1970-х годах», - говорит профессор Гарет Паркинсон из Института прикладной физики Технического университета Вены. «Например, Герхард Эртль был удостоен Нобелевской премии по химии в 2007 году за понимание катализа на атомном уровне».
В куске металла электрон больше не может быть отнесен к определенному 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 металлы, поэтому электронные полосы, энергия которых была ключом к объяснению катализа, в данном случае просто не существуют».
Поэтому в последние годы Гарет Паркинсон и его команда 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 с помощью адаптированных поверхностей
В одноатомном катализе возникают совершенно новые возможности, недоступные при использовании обычных металлических частиц: «В зависимости от того, на какой поверхности мы размещаем атомы металла и какие атомные связи они образуют, мы можем изменять реакционную способность атомов», - объясняет Паркинсон.
В некоторых случаях особенно дорогие металлы, такие как платина, уже не обязательно являются лучшим выбором. «Отдельные атомы никеля открывают большие перспективы для окисления монооксида углерода. Если мы поймем атомные механизмы одноатомного катализа, у нас будет гораздо больше возможностей влиять на химические процессы», - говорит Паркинсон.
В Техническом университете Вены таким образом были точно проанализированы восемь различных металлов - результаты идеально соответствуют теоретическим моделям, разработанным в сотрудничестве с профессором Чезаре Франчини из Венского университета.
«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 это не обязательно должна быть платина». Решающим фактором является локальное окружение атомов - и при правильном его выборе можно разработать более качественные катализаторы и при этом сэкономить ресурсы и затраты.