Исследователи «Сколковского института науки и технологии» («Сколтеха») установили физические принципы, позволяющие управлять свойствами сверхтонкой платиновой оболочки в нанокатализаторах, изменяя состав и структуру металлического ядра частицы. Открытие даёт возможность создавать катализаторы для водородной энергетики и очистки выхлопных газов с высокой активностью, но в разы меньшим содержанием дефицитной платины. Результаты фундаментального исследования опубликованы в журнале Materials Today Energy.
Как устроены наночастицы с платиновой оболочкой
В центре научной работы — наночастицы типа «ядро-оболочка», где ядро из одного или нескольких металлов покрыто сверхтонким слоем платины. Платина — эффективный катализатор многих химических реакций, но её ресурсы ограничены, а стоимость высока. Учёные давно ищут способы максимально эффективного использования этого драгоценного металла.
Новое исследование демонстрирует, что каталитические свойства таких наночастиц можно настраивать с помощью двух основных параметров: химического состава ядра и его внутренней структуры. С помощью компьютерного моделирования на основе теории функционала электронной плотности учёные проанализировали влияние разных металлов в ядре (серебро, золото, медь, иридий, палладий, родий, рутений) и высокоэнтропийного сплава, состоящего из всех семи металлов одновременно. Особое внимание уделено роли аморфной (неупорядоченной) структуры ядра в сравнении с традиционной кристаллической.
«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», — сказал ведущий автор работы Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Центра технологий материалов «Сколтеха».
Механизм управления свойствами оболочки
Наночастицы-катализаторы работают под управлением своего ядра. Учёные установили: ядро из разных металлов воздействует на платиновую оболочку по трём направлениям. Оно способно изменять её электронные свойства, слегка сжимать или растягивать атомную решётку и тем самым настраивать химическую активность платины. Например, при использовании ядра из меди поверхность платины становится богаче электронами и активнее притягивает молекулы кислорода — ключевой процесс для работы топливных элементов.
«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. Это создаёт основу для разработки следующего поколения высокоэффективных систем с минимальным содержанием платины», — сказал соавтор и научный руководитель исследования Александр Квашнин, профессор Центра технологий материалов «Сколтеха», руководитель Лаборатории промышленно-ориентированного поиска материалов.
Практический вывод работы: платиновую оболочку следует делать максимально тонкой. Когда она состоит из одного атомного слоя, влияние ядра усиливается, и каждый атом платины используется с максимальной эффективностью. Это открывает путь к созданию катализаторов, где содержание драгоценного металла будет в несколько раз ниже, чем в современных аналогах, при сохранении высокой активности.