Сотрудники Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН с коллегами при помощи компьютерного моделирования выяснили, как взаимодействие с графеновым носителем меняет свойства нанокатализаторов из платины и золота. Об этом сообщили в пресс-службе РНФ.
Катализаторы увеличивают скорость химических реакций за счёт активных центров, где молекулы реагентов связываются и преобразуются. Один из примеров реакций, требующих катализаторов, — это преобразование токсичного угарного газа в углекислый газ. Обычно для этого применяются катализаторы на основе платины, ценного и редко встречающегося металла. В качестве более экономичной альтернативы рассматриваются катализаторы, где часть атомов платины замещена более распространённым золотом. Однако золото менее активно участвует в реакциях. Для целенаправленного улучшения таких катализаторов необходимо понимать, какие атомы задействованы в превращении и как изменяется их окружение в процессе работы.
Авторы исследования изучили, как в нанокластерах платины и золота (до 24 атомов) формируются активные центры, изменяются и модифицируют свои свойства при взаимодействии с реакционной средой. Они провели около 12 тысяч расчётов, используя метод теории функционала плотности, который позволяет анализировать электронное строение и свойства веществ. Для анализа взаимодействия кластеров с реагентами было использовано более 80 тысяч точек данных, полученных с помощью методов машинного обучения.
Расчёты показали, что адсорбция угарного газа на атомах в кластере зависит от локального окружения активного центра. Для оценки активности катализатора важно учитывать разнообразие структур кластера: различные расположения атомов могут создавать похожие участки для связывания реагентов.
Учёные также выяснили, что носитель из графена, одноатомного углеродного слоя, играет важную роль. Они исследовали кластер из атомов платины и золота на графене с одиночной вакансией — местом, где отсутствует один атом углерода. Этот дефект закрепляет кластер и изменяет распределение электронной плотности, что позволяет неактивным атомам золота участвовать в окислении угарного газа. В результате энергетический барьер снижается на 23%. Моделирование также продемонстрировало, как кластер перестраивается при последовательном присоединении молекул угарного газа: по мере заполнения поверхности атомы платины смещаются наружу, изменяя состав активных центров.
«Для понимания работы катализатора важно знать, как меняются его активные центры при контакте с реагентами. В нашей модели молекулы угарного газа вызывают перераспределение атомов платины, а дефект графена меняет электронное состояние кластера и вовлекает золото в реакцию. Подходы 4D-катализа и SMART, учитывающие структуру вещества, подвижность атомов, активность, перестройку и термодинамику, позволяют связать эти процессы в единую картину. Это дает ориентиры для проектирования катализаторов с учётом тех превращений, которые происходят непосредственно во время их работы», – поясняет руководитель проекта Михаил Хризанфоров.
Анализ данных позволяет выявить механизмы образования активных центров катализатора в ходе его функционирования, что закладывает фундамент для создания новых материалов для очистки газовых смесей. Работа проводилась совместно с учёными из Сколтеха, НИУ ВШЭ, Южного федерального университета, МГТУ им. Н.Э. Баумана и Национального института материаловедения Японии. Результаты исследования были поддержаны грантом РНФ и опубликованы в журнале Small.
Катализаторы помогают не только очищать газы, но и расщеплять их. Как рассказывала интернет-газета «ЖУК», учёные из США создали электроды, которые состоят из меди, оксида иридия и пористых мембран из фторопласта. Эти электроды способны быстро и эффективно расщеплять молекулы углекислого газа.