Исследовательская группа из Сколтеха и Хакасского государственного университета под руководством лауреата Научной премии Сбера, профессора Сколтеха, доктора физико-математических наук Александра Квашнина изучила, как наночастицы иридия и палладия могут изменять свойства катализаторов при небольшой деградации и переходе в аморфное состояние. Результаты опубликованы в журнале Journal of Catalysis — они помогают лучше понять, как устроены важные катализаторы для реакций выделения кислорода и водорода, а также реакции восстановления кислорода.
Переход от микро- к наночастицам приводит к большим изменениям физических и химических свойств материала. В наночастицах количество атомов на поверхности и в объёме частицы практически не отличается. Благодаря этому в частицах наибольшее влияние на свойства оказывают квантовые эффекты — они описываются законами квантовой физики. Наночастицы находят своё применение практически везде — в системах доставки лекарств, LED-экранах, химических удобрениях и так далее.
«Наносплавы палладия и иридия считаются важными катализаторами для многих органических реакций. Они также используются при окислении угарного газа. Важно понимать, что происходит с частицами на атомарном уровне, потому что в реальном эксперименте сложно определить, какой состав поверхности у этих биметаллических наночастиц, образуют ли они оболочку на своей поверхности, какой тип оболочки выгоднее с точки зрения энергии», — прокомментировал работу профессор Проектного центра по энергопереходу Александр Квашнин.
Геометрическая структура имеет решающее значение для понимания каталитических свойств нанокатализаторов. В исследовании авторы рассмотрели наночастицы иридия и палладия типа «ядро-оболочка» с различным химическим порядком: ядро — иридий, оболочка — палладий и наоборот, а также сплава иридия и палладия. В работе изучили влияние состава, типа структуры (кристаллическая или аморфная) и локального атомного окружения наночастиц диаметром 2 нм на электронные свойства и распределение заряда.
«У наночастиц температура плавления значительно ниже, чем у объёмного материала палладия или иридия. Если каталитическая реакция проходит при высоких температурах, то частицы могут плавиться, то есть превращаться из кристаллической структуры в аморфную. Большинство исследований сосредоточено на изучении свойств кристаллических структур. Наша идея была в том, чтобы посмотреть, как изменятся свойства катализатора, если частица перейдёт в аморфное состояние», — добавил первый автор работы, старший научный сотрудник Проектного центра по энергопереходу Илья Чепкасов.
Авторы пришли к выводу, что тип наночастицы иридия и палладия, а также толщина оболочки по отношению к ядру существенно влияют на поверхностный заряд. Наночастицы, в которых ядро иридия покрыто оболочкой палладия, содержат значительный избыток электронов, перетекающих из ядра на поверхность, образуя отрицательный заряд на ней. В то же время тип структуры наночастиц — кристаллическая или аморфная — практически не влияет на поверхностный заряд.
Источник информации: Сколтех
Источник фото: ru.123rf.com
