Они делают наши автомобили более экологичными и незаменимы для химической промышленности: катализаторы делают возможными определенные химические реакции, такие как превращение CO в CO2 в выхлопных газах автомобилей газы - в противном случае это происходило бы очень медленно или не происходило бы вообще. Физики поверхности из Технического университета Вены совершили важный прорыв; атомы металла можно поместить на поверхность оксида металла так, чтобы они проявляли точно желаемое химическое поведение. Обнадеживающие результаты с атомами иридия только что были опубликованы в журнале Angewandte Chemie.
Все меньше и меньше - вплоть до одного атома
Для выхлопных газов автомобилей используются твердые катализаторы, такие как платина. Газ контактирует с металлической поверхностью, где вступает в реакцию с другими компонентами газа. «Только внешний слой атомов металла может играть роль в этом процессе. Газ никогда не может достичь атомов внутри металла, поэтому они в основном тратятся впустую», - говорит профессор Гарет Паркинсон из Института прикладной физики Технического университета Вены. Поэтому имеет смысл конструировать катализатор не в виде одного крупного блока металла, а в виде мелких гранул. Это делает число активных атомов максимально возможным. Поскольку многие важные каталитические материалы (такие как платина, золото или палладий) очень дороги, стоимость является серьезной проблемой.
В течение многих лет предпринимались попытки превратить катализаторы во все более мелкие частицы. В лучшем случае катализатор мог бы состоять из отдельных атомов катализатора, и все они были бы активны правильным образом. Однако это легче сказать, чем сделать.«Когда атомы металла осаждаются на поверхности оксида металла, они обычно имеют очень сильную тенденцию слипаться и образовывать наночастицы», - объяснил Гарет Паркинсон..
Вместо того, чтобы прикреплять активные атомы металла к поверхности, их также можно включить в молекулу с удачно подобранными соседними атомами. Затем молекулы и реагенты растворяются в жидкости, и там происходят химические реакции.
Оба варианта имеют свои преимущества и недостатки. Твердометаллические катализаторы имеют более высокую производительность и могут работать в непрерывном режиме. С жидкими катализаторами, с другой стороны, легче адаптировать молекулы в соответствии с требованиями, но впоследствии продукт и катализатор необходимо снова разделить.
Лучшее из двух миров
Команда Паркинсона из Технического университета Вены работает над объединением преимуществ обоих вариантов: «В течение многих лет мы работали над контролируемой обработкой поверхностей оксидов металлов и визуализацией их под микроскопом», - говорит Гарет Паркинсон.«Благодаря этому опыту мы теперь являемся одной из немногих лабораторий в мире, которые могут включать атомы металлов в твердую поверхность четко определенным образом».
Примерно так же, как устроены молекулы жидкого катализатора, становится возможным выбирать соседние атомы на поверхности, которые были бы наиболее выгодными с химической точки зрения - и специальные приемы физики поверхности позволяют возможно включение их в твердую матрицу на специальной поверхности оксида железа. Это можно использовать, например, для преобразования монооксида углерода в диоксид углерода.
Оптимальный контроль
«Одноатомный катализ - это новая, чрезвычайно многообещающая область исследований», - говорит Гарет Паркинсон. «Уже были интересные измерения с такими катализаторами, но до сих пор было неизвестно, почему они так хорошо работают. Теперь мы впервые имеем полный контроль над атомными свойствами поверхности и можем наглядно доказать это с помощью изображений с электронного микроскопа."