Химики Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (Москва) вместе с коллегами с помощью компьютерного моделирования выяснили, как подложка из графена меняет поведение нанокатализаторов из платины и золота. Такие катализаторы окисляют ядовитый угарный газ до углекислого. Результаты опубликованы в журнале Small.
В таких реакциях обычно используют платину — металл дорогой и редкий. Часть её атомов можно заменить более доступным золотом, но оно заметно неохотнее вступает в реакции. Чтобы целенаправленно улучшать такие смешанные катализаторы, нужно понимать, какие именно атомы работают и как меняется их окружение во время реакции.
Исследователи рассмотрели нанокластеры (частицы из нескольких атомов металла) платины и золота, содержащие до 24 атомов. Они выполнили около 12 тысяч расчётов методом теории функционала плотности — так называют способ вычислять электронное строение и свойства вещества. Машинное обучение добавило ещё более 80 тысяч точек данных о том, как кластеры взаимодействуют с реагентами. В итоге удалось сравнить множество составов и вариантов расположения атомов.
Главный результат касается дефекта графена. Если в его решётке не хватает одного атома углерода, электронное состояние кластера меняется: к молекуле кислорода, связанной с атомом золота, переходит дополнительный электронный заряд. Благодаря этому золото начинает участвовать в окислении угарного газа.
Второй вывод: катализатор перестраивается во время работы. По мере того как к кластеру одна за другой присоединяются молекулы угарного газа, атомы платины перемещаются на поверхность и меняют набор доступных активных центров — участков, где связываются и превращаются молекулы. Получается, что реагенты сами меняют поверхность, на которой происходит реакция.
Кроме того, расчёты показали, что прочность связывания угарного газа определяется прежде всего ближайшими соседями активного центра. Разные варианты расположения атомов в кластере могут давать похожие участки связывания, поэтому активность катализатора нужно оценивать по всему набору возможных структур.
Пока это расчётное исследование: поведение катализаторов изучено в компьютерной модели. По словам руководителя проекта, старшего научного сотрудника ИОХ РАН Михаила Хризанфорова, такой подход даёт ориентиры для проектирования катализаторов с учётом превращений, которые происходят непосредственно во время их работы. В перспективе это основа для материалов, очищающих газовые смеси от угарного газа.
