Катализ - ускорение химической реакции путем добавления определенного вещества - чрезвычайно важен как в промышленности, так и в повседневной жизни. Около 80 % всех химических продуктов производится с помощью катализа, и такие технологии, как катализаторы выхлопных газов или топливные элементы, также основаны на этом принципе. Одним из особенно эффективных и универсальных катализаторов является платина. Однако, поскольку платина является очень редким и дорогим драгоценным металлом, производство которого приводит к большим выбросам _CO2, важно использовать ее как можно меньше при максимальной эффективности.

Катализаторы с одиночными атомами

В последние годы ученые пытались разработать так называемые одноатомные катализаторы, в которых каждый атом вносит свой вклад в химическую реакцию. Эти катализаторы изготавливаются путем осаждения одиночных атомов платины на поверхность пористого основного материала, например углерода, легированного атомами азота. Атомы азота действуют как точки крепления, за которые могут зацепиться атомы платины.

Группа исследователей во главе с Хавьером Пересом-Рамиресом и Кристофом Копере из департамента химии и прикладных наук о жизни Цюрихского технологического института совместно с коллегами из университетов Лиона и Орхуса теперь показали, что такие одноатомные катализаторы более сложны, чем считалось ранее. Используя ядерный магнитный резонанс, они смогли показать, что отдельные атомы платины в таком катализаторе могут иметь очень различное атомное окружение, которое влияет на их каталитическое действие. В будущем это открытие позволит разрабатывать более эффективные каталитические материалы. Исследователи недавно опубликовали свои выводы в научном журнале Nature.

Случайные встречи приводят к прорыву

"До сих пор отдельные атомы платины можно было наблюдать только через "линзу" электронного микроскопа, что выглядит впечатляюще, но мало что говорит нам об их каталитических свойствах", - говорит Перес-Рамирес. Вместе с Копере он размышлял о том, как можно было бы более точно охарактеризовать отдельные атомы платины. Сотрудничество началось со случайной встречи во время совещания в рамках программы катализа NCCR.

После встречи у двух исследователей возникла идея попробовать ядерный магнитный резонанс. В этом методе, на котором основана МРТ в больнице и который обычно используется для исследования молекул в лабораториях, спины атомных ядер в сильном статическом магнитном поле реагируют на колеблющиеся магнитные поля определенной резонансной частоты. В молекулах эта резонансная частота зависит от того, как различные атомы расположены внутри молекулы. "Аналогичным образом, на резонансные частоты отдельных атомов платины влияют их атомные соседи - например, углерод, азот или кислород - и их ориентация относительно статического магнитного поля", - объясняет Копере.

Это приводит к появлению множества различных резонансных частот, во многом похожих на различные тона в оркестре. Определить, какой инструмент издает тот или иной тон, непросто. "По счастливой случайности, во время визита в Лион один из нас встретил эксперта по моделированию из Орхуса, который был там в то же время", - говорит Копере. Такие встречи и вытекающее из них сотрудничество необходимы для научного прогресса, добавляет он. Совместно с сотрудником ETH эксперт по моделированию разработал компьютерный код, который позволил отфильтровать множество различных "тонов" отдельных атомов платины из путаницы.

Отображение атомной среды

В конечном счете, это привело к прорыву в описании одноатомных катализаторов: исследовательская группа теперь смогла составить своего рода карту, показывающую тип и положение атомов, окружающих атомы платины. "Этот аналитический метод устанавливает новый стандарт в данной области", - говорит Перес-Рамирес.

С помощью этого широко доступного метода протоколы производства одноатомных катализаторов могут быть оптимизированы таким образом, чтобы все атомы платины находились в специально подобранной среде. Это следующий вызов для команды. "Наш метод также важен с точки зрения интеллектуальной собственности", - говорит Копере: "Возможность точно описать катализаторы на атомарном уровне позволяет нам защищать их с помощью патентов".