Российские учёные нашли способ повысить каталитическую активность золота с помощью графена
Российские учёные установили, что дефект в структуре графена позволяет повысить активность золота в составе нанокатализаторов для окисления токсичного угарного газа (CO) до углекислого газа. Компьютерное моделирование показало снижение энергетического барьера реакции на 23%. Результаты исследования специалистов Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН и других научных организаций опубликованы в журнале Small, сообщает Российский научный фонд.
Для окисления угарного газа применяются катализаторы на основе платины. Исследователи изучили возможность использования биметаллических нанокластеров из платины и золота, содержащих до 24 атомов. Основная задача заключалась в том, чтобы определить, при каких условиях атомы золота могут участвовать в каталитической реакции и как на их активность влияет расположение соседних атомов.
Ключевую роль, согласно расчётам, играет графеновый носитель — тонкий слой углерода, в структуре которого отсутствует один атом. Такой дефект, называемый одиночной вакансией, способствует закреплению металлического кластера и изменяет распределение электронной плотности. В результате атомы золота, малоактивные в рассматриваемых конфигурациях, начинают участвовать в окислении угарного газа. В исследованной модели это позволило снизить энергетический барьер реакции на 23%.
Учёные также установили, что структура катализатора меняется непосредственно при взаимодействии с угарным газом. По мере присоединения молекул CO атомы платины перемещаются к поверхности нанокластера, изменяя расположение активных центров. Таким образом, каталитические свойства материала зависят не только от соотношения золота и платины, но и от взаимного расположения атомов и их перестройки в процессе реакции.
Для изучения этих процессов исследователи выполнили около 12 тыс. квантово-химических расчётов методом теории функционала плотности. Применение машинного обучения позволило получить дополнительно более 80 тыс. расчётных точек данных и проанализировать различные конфигурации металлических нанокластеров.
Полученные результаты могут использоваться при проектировании катализаторов для очистки газовых смесей от угарного газа. При этом исследование пока ограничивается компьютерным моделированием: эффективность, долговечность и экономические параметры таких материалов в условиях промышленной эксплуатации ещё предстоит оценить экспериментально.
Работа выполнена при участии специалистов ИОХ РАН, Сколтеха, НИУ ВШЭ, Южного федерального университета, МГТУ имени Н.Э. Баумана и Национального института материаловедения Японии при поддержке Российского научного фонда.
