Сколтех: найден способ сократить количество платины в катализаторах

Исследователи Сколтеха выявили физические принципы, позволяющие дистанционно управлять свойствами сверхтонкого слоя платины в нанокатализаторах, меняя лишь состав и структуру их металлического ядра. Это открывает возможность создавать эффективные катализаторы для водородной энергетики и систем очистки выхлопных газов с существенно меньшим содержанием дефицитной платины. Об этом "Газете.Ru" сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.

В центре работы оказались наночастицы типа "ядро–оболочка", в которых ядро из одного или нескольких металлов покрыто ультратонким слоем платины. Платина широко используется в катализе благодаря высокой активности, однако её высокая стоимость и ограниченные запасы стимулируют поиск способов более рационального применения. Новое исследование показывает, что свойства платиновой оболочки можно точно регулировать, не изменяя саму платину.

С помощью компьютерного моделирования на основе теории функционала электронной плотности ученые проанализировали влияние различных металлов в ядре — серебра, золота, меди, иридия, палладия, родия и рутения — на каталитические свойства поверхности. Отдельное внимание было уделено высокоэнтропийному сплаву, объединяющему все семь металлов, а также сравнению кристаллической и аморфной структуры ядра.

"Наше исследование показывает, что ядро наночастицы выступает активным модулятором свойств платиновой оболочки. Изменяя химический состав и структурное состояние ядра, можно напрямую управлять электронной структурой и реакционной способностью поверхности платины", — пояснил ведущий автор работы Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Центра технологий материалов Сколтеха.

Ученые установили, что ядро влияет на платину сразу по нескольким каналам: изменяет распределение электронов, создаёт механическое напряжение в атомной решётке и тем самым тонко настраивает химическую активность поверхности. Так, ядро из меди делает платиновый слой более электронно насыщенным, что улучшает взаимодействие с кислородом — ключевой процесс для работы топливных элементов.

"Комбинация состава ядра и его структурного состояния дает два независимых и мощных инструмента для оптимизации активности, стабильности и селективности катализаторов. Это создает основу для разработки нового поколения систем с минимальным содержанием платины", — отметил научный руководитель исследования Александр Квашнин, профессор Центра технологий материалов Сколтеха.

Практический вывод работы заключается в том, что платиновую оболочку целесообразно делать максимально тонкой — вплоть до одного атомного слоя. В этом случае влияние ядра усиливается, и каждый атом платины работает с максимальной эффективностью. Такой подход может значительно снизить стоимость катализаторов без потери их производительности.