Ученые Сколтеха помогут «настраивать» каталитические свойства наночастиц

Наночастицы — это частицы размером от 1 до 100 нанометров. Один нанометр равен одной миллиардной части метра. По сравнению с обычными частицами, наночастицы обладают уникальными свойствами, благодаря которым их активно используют, например, при диагностике рака, создании компактных электронных устройств, проектировании солнечных батарей и во многих других сферах. Ученые Сколтеха выяснили, что каталитические свойства биметаллических наночастиц — то есть свойство материала ускорять или замедлять химическую реакцию без непосредственного участия в ней — можно «настраивать», изменяя структуры частицы.

Сколтех

Структура изучаемых наночастиц. Вверху слева — core-shell частицы с ядром из меди и оболочкой из золота, вверху справа — наночастицы из сплава золота и меди, внизу — core-shell частицы с ядром из золота и оболочкой из меди / © Александр Квашнин / Автор: Екатерина Лебедева

Исследование опубликовано в журнале Physical Review B. Наибольший интерес сегодня представляют биметаллические core-shell частицы (от англ. core — ядро и shell — оболочка). В таких частицах ядро и оболочка состоят из разных металлов. В исследовании изучали три вида наночастиц: с ядром из меди и оболочкой из золота, с ядром из золота и оболочкой из меди, а также обычные наночастицы из сплава золота и меди. В отличие от core-shell частиц, структура обычных биметаллических наночастиц не упорядочена.

«Мы смотрели, как изменение соотношения между ядром и оболочкой может менять электронные состояния на поверхности. Эти изменения влияют на силу связывания между наночастицей и молекулой CO. Мы пришли к выводу, что можно изменить энергию адсорбции — или точнее хемисорбции, то есть химического связывания атомов и молекул газов с поверхностью кристалла или наночастицы — в два раза по отношению к чистому металлу посредством тонкой настройки соотношения между ядром и оболочкой наночастицы», — пояснил первый автор работы, научный сотрудник Лаборатории дизайна материалов Илья Чепкасов.

Свои исследования ученые провели в несколько этапов с использованием теории функционала электронной плотности. На первом этапе из наночастиц размером в два нанометра сконструировали core-shell частицы с различным соотношением ядра и оболочки и проанализировали, как меняется поверхностный заряд в зависимости от этого соотношения. Затем исследователи посчитали адсорбцию молекул CO и кислорода на поверхности наночастиц и показали, как можно изменять адсорбционные свойства наночастиц посредством изменения поверхностного заряда, связанного с настройкой их структуры.

«Полученные фундаментальные закономерности будут использованы в дальнейшем для разработки моделей искусственного интеллекта, которые позволят эффективно предсказывать адсорбционные и каталитические свойства биметаллических наночастиц в процессе высокопроизводительного скрининга новых материалов с заданными свойствами», — добавил руководитель исследования, профессор Проектного центра по энергетическому переходу Александр Квашнин.

Результаты работы показывают, что тонкая «настройка» структуры наночастиц приводит к подбору необходимых каталитических свойств наночастиц, что в свою очередь позволит контролировать работу катализатора. С практической точки зрения это поможет увеличить эффективность работы по очистке газов — например, чтобы очистить технические газы от высокотоксичного СО и сделать их безопасными.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.