Золото долгое время считалось незначительным помощником в борьбе с угарным газом. Однако исследователи нашли способ активизировать его работу без применения сложных добавок.
Золото может быть полезно не только в ювелирной сфере и электронике. Исследователи из России обнаружили, как заставить химически инертный благородный металл более активно участвовать в нейтрализации угарного газа. Секрет оказался неожиданным: необходимо разместить наночастицы на графене, в котором отсутствует всего один атом углерода. Этот дефект изменяет электронные характеристики металла и способствует включению золота в химическую реакцию.
Результаты работы специалистов Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН и их коллег опубликованы в журнале Small.
Исчезновение одного атома — активизация золота
Угарный газ представляет опасность для людей и животных, поэтому его удаление из газовых смесей является важной задачей как в промышленности, так и в быту. Один из способов его нейтрализации заключается в процессе «доокисления», в результате которого образуется углекислый газ (2CO+O2=2CO2).
Для этого обычно используется платина. Хотя она и эффективна в качестве катализатора, ее стоимость высока, и она относится к редким металлам. Золото более доступно, но само по себе значительно менее активно. Ученые решили проверить, сможет ли золото проявить себя в составе нанокластера из атомов платины и золота, расположенного на графеновой основе.
Особое внимание исследователи уделили участку графена с одиночной вакансией — местом, где отсутствует один атом углерода.
Компьютерное моделирование показало, что этот дефект не только удерживает металлический кластер на поверхности, но и изменяет распределение электронного заряда, помогая атомам золота взаимодействовать с кислородом. В результате золото начинает участвовать в процессах окисления угарного газа.
Эффект оказался достаточно значимым: энергетический барьер реакции снизился на 23%. То есть для химического превращения требуется меньше энергии.
Катализатор не остаётся на месте
Существует и другая неожиданность. В ходе реакции меняется не только поведение металла, но и сама конфигурация нанокластера. С увеличением количества молекул угарного газа атомы платины перемещаются к внешнему краю частицы. Это приводит к изменению состава доступных активных центров — участков, где происходят химические превращения. В результате реагенты сами перестраивают поверхность катализатора, с которой взаимодействуют.
Чтобы разобраться в этом процессе, ученые провели около 12 тысяч расчетов с использованием метода теории функционала плотности. Машинное обучение позволило дополнить исследование более чем 80 тысячами точек данных. Анализировались нанокластеры размером до 24 атомов.
Расчеты показали, что эффективность катализатора определяется не только соотношением Pt и Au. Существенное значение имеет ближайшее окружение конкретного активного центра.
Исследование поддержано Российским научным фондом. В работе принимали участие специалисты ИОХ РАН, Сколтеха, НИУ ВШЭ, Южного федерального университета, МГТУ имени Баумана и Национального института материаловедения Японии.
