Новые результаты учёных 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. В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review B, учёные 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.
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 учёные провели в несколько этапов с использованием теории функционала электронной плотности. На первом этапе из наночастиц размером в 2 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.