Исследование, показавшее, что каталитические свойства биметаллических наночастиц (т.е. их способность ускорять или замедлять химическую реакцию) можно изменять, меняя их структуру, провели ученые Сколковского института науки и технологий, 15 ноября сообщила пресс-служба института.

Наночастицы, имея ультрамалые размеры — от 1 до 100 нм, обладают уникальными свойствами, которые в настоящее время широко используются в различных областях, в том числе в медицине — при диагностике рака, электронике — для создания миниатюрных устройств, энергетике — при производстве солнечных батарей, а также в других сферах науки и производства.

Данное исследование ученых Сколтеха расширит возможности применения биметаллических наночастиц, открыв возможность формирования у них требуемых свойств.

Результаты исследования ученые представили в статье «Структурная настройка адсорбции O и CO на наночастицах AuCu: исследование теории функционала плотности», опубликованной в журнале Physical Review B.

Ученых Сколтеха заинтересовали биметаллические core-shell частицы (от англ. core — ядро и shell — оболочка), в которых ядро и оболочка состоят из разных металлов. Всего ими были изучены свойства наночастиц трех видов: с ядром из меди (Cu) и оболочкой из золота (Au), с ядром из золота и оболочкой из меди и наночастицы из сплава золота и меди, которые не являлись core-shell частицами.

Первый автор исследования, научный сотрудник Лаборатории дизайна материалов Сколтеха Илья Чепкасов рассказал о полученных результатах:

«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».

При исследовании ученые использовали теорию функционала электронной плотности.

На первом этапе экспериментов из наночастиц размером 2 нм были сконструированы core-shell частицы с различным соотношением размеров ядра и оболочки и установлена зависимость поверхностного заряда от этого соотношения.

Далее была оценена зависимость адсорбции молекул CO и кислорода на поверхности наночастиц от величины поверхностного заряда, связанного, в свою очередь, с настройкой структуры этих частиц.

«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», — пояснил ценность результатов исследования его руководитель, профессор Проектного центра по энергетическому переходу Александр Квашнин.

Таким образом, ученые Сколтеха показали, что тонкая «настройка» структуры наночастиц позволяет подобрать желаемые каталитические свойства биметаллических core-shell частиц, а это дает возможность контролировать работу такого катализатора, в том числе увеличивать эффективность их работы, например, по очистке газов от высокотоксичного угарного газа СО.