Исследователи из Сколтеха открыли физические принципы, позволяющие дистанционно «настраивать» свойства сверхтонкого слоя платины в нанокатализаторах, меняя лишь состав и структуру их металлического ядра. Это открывает путь к созданию каталитических материалов для водородной энергетики и очистки выхлопных газов, которые сохранят высокую эффективность, но будут содержать в разы меньше драгоценной и дефицитной платины, чем современные аналоги. Результаты фундаментального исследования опубликованы в журнале Materials Today Energy.

В центре исследования — наночастицы типа «ядро-оболочка», где ядро из одного или нескольких металлов покрыто сверхтонкой оболочкой из платины. Платина является хорошим катализатором для многих химических реакций, однако это ограниченный и дорогой ресурс. Учёные давно ищут способы использовать её максимально эффективно. Новое исследование показывает, что настройка свойств таких наночастиц возможна за счёт двух ключевых рычагов: состава ядра и его внутренней структуры.

С помощью методов компьютерного моделирования на основе теории функционала электронной  плотности учёные проанализировали, как на каталитические свойства платиновой оболочки влияют разные металлы в ядре (серебро, золото, медь, иридий, палладий, родий, рутений), а также особая форма ядра — высокоэнтропийный сплав, состоящий из всех этих семи металлов одновременно. Впервые была подробно изучена роль аморфной, то есть неупорядоченной, структуры ядра в сравнении с традиционной кристаллической.

«Наше исследование демонстрирует, что ядро наночастицы выполняет функцию активного модулятора свойств платиновой оболочки. Посредством варьирования химического состава и кристаллического состояния ядра мы получаем прямой контроль над электронной структурой и реакционной способностью поверхности платины», — поясняет ведущий автор работы Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Центра технологий материалов Сколтеха.

Наночастицы-катализаторы работают не сами по себе, а под управлением своего ядра. Учёные смогли разобраться в этом механизме: ядро из разных металлов действует на платиновую оболочку сразу в трёх направлениях. Оно может менять её электронные свойства, слегка «сжимать» или «растягивать» её атомную решётку и таким образом настраивать химическую активность платины. Например, если сделать ядро из меди, поверхность платины станет богаче электронами и будет лучше притягивать молекулы кислорода — это ключевой процесс для топливных элементов.

«Полученные результаты устанавливают принципы рационального дизайна катализаторов. Комбинация состава ядра — будь то переходный металл или высокоэнтропийный сплав — и его структурного состояния представляет собой два независимых и мощных параметра для точной оптимизации каталитической активности, стабильности и селективности. Это создаёт основу для разработки следующего поколения высокоэффективных систем с минимальным содержанием платины», — поделился соавтор и научный руководитель исследования Александр Квашнин, профессор Центра технологий материалов Сколтеха, руководитель Лаборатории промышленно-ориентированного поиска материалов в Сколтехе.

Практический вывод работы состоит в том, что платиновую оболочку нужно делать максимально тонкой. Когда она состоит из одного слоя атомов, влияние ядра усиливается, и каждый атом платины используется с максимальной эффективностью. Это открывает путь к созданию катализаторов, где драгоценного металла будет в разы меньше, но он не потеряет своей активности.