Современную химическую промышленность трудно представить без катализаторов — веществ, ускоряющих, да и попросту делающих возможными различные химические реакции.

Структура изученных наночастиц. Вверху слева — частицы с ядром из меди и оболочкой из золота, вверху справа — наночастицы из сплава золота и меди, внизу — частицы с ядром из золота и оболочкой из меди. (Жёлтые шары — атомы золота, оранжевые — атомы меди.) Рисунок Александра Квашнина/Сколковский институт науки и технологий.

В Сколтехе изучили, как меняется адсорбционная способность (то есть способность ловить и удерживать на своей поверхности молекулы реагентов) у наночастиц из пары металлов медь–золото. Каталитическая активность биметаллических наночастиц зависит не только от свойств поверхности. В случае двухслойных наночастиц на эту способность влияют перераспределение электрического заряда между ядром и оболочкой, появление размерного квантового эффекта и другие процессы.

В качестве адсорбируемых газов в работе исследователи выбрали монооксид углерода (угарного газа) и кислород. Каталитическая очистка промышленных технических газов от угарного газа — важная и распространённая на химическом производстве задача. Наночастицы меди подходят на роль катализатора реакций окисления и восстановления угарного газа, но со временем медь окисляется и каталитические свойства медных наночастиц ухудшаются. Чтобы этого избежать, в состав частиц добавляют золото, которое устойчиво к окислению. Но сделать медно-золотую наночастицу можно по-разному.

Сотрудники лаборатории дизайна материалов исследовали три вида наночастиц: с ядром из меди и оболочкой из золота, с ядром из золота и оболочкой из меди и наночастицы из сплава золота и меди. С помощью квантово-химических методов они рассчитали, как изменение распределения металлов между ядром и оболочкой может менять электронные свойства её поверхности. Эти изменения влияют на силу связывания между наночастицей и молекулой угарного газа, а посред-ством изменения поверхностного заряда можно регулировать её адсорбционные свойства.

Для двухслойной наночастицы энергию связывания молекул газов с поверхностью, как оказалось, можно изменить в два раза по сравнению с частицей, состоящей из чистого металла. Таким образом, сотрудникам Сколтеха удалось показать, что тонкой настройкой «архитектуры» наночастиц можно контролировать работу катализатора. Выявленные фундаментальные закономерности планируют использовать для разработки моделей искусственного интеллекта, способных предсказывать каталитические свойства биметаллических наночастиц при высокопроизводительном скрининге новых материалов.

Результаты работы опубликованы в журнале «Physical Review».

По информации пресс-службы Сколтеха.

№1, 2024