Ученые обнаружили, что слой атомов платины на поверхности необычного материала — платинового диселенида — может работать как высокоэффективный катализатор. Это открытие может изменить подход к созданию катализаторов для очистки воздуха и преобразования газов.

Платиновый диселенид (PtSe₂) — это многослойный материал, где каждый слой состоит из атомов платины и селена. Его ценность в идеальной кристаллической структуре и возможности тонко управлять взаимодействием между слоями, что позволяет настраивать свойства материала. Благодаря этому он уже применяется в полупроводниках, фотодетекторах и электрохимических устройствах.

Подробности опубликованы в издании Nature Communications.

Исследовательская группа под руководством профессора Чон Ён Парка из KAIST, совместно с коллегами из Университета Чхуннам и Университета Центральной Флориды, предложила новую концепцию. Вместо того чтобы использовать массивную платину, они задействовали одиночные атомы платины, которые естественным образом exposed на поверхности слоев диселенида. Это позволило добиться выдающихся результатов в реакции окисления угарного газа (CO).

Преимущества нового подода:

• Экономия драгоценного металла: Катализатор использует меньше платины, так как работает каждый атом на поверхности.
• Улучшенное взаимодействие: На электронную структуру поверхности влияет связь платины с селеном, что делает катализатор более активным.

В результате тонкая пленка диселенида платины показала себя лучше, чем традиционная платиновая пленка, во всем диапазоне температур. Ключевой фактор успеха — способность поверхности равномерно адсорбировать молекулы угарного газа и кислорода. Это увеличивает вероятность их встречи и реакции.

Роль активных центров играют атомы платины, обнажающиеся в местах вакансий селена — пустот в кристаллической решетке. Ученые в реальном времени подтвердили это с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, а компьютерное моделирование объяснило уникальное электронное поведение материала.

Наше исследование предлагает новую стратегию, — пояснил профессор Пак. — Мы используем двумерный материал, чтобы создать катализатор, оптимизированный для газовых реакций. Электронное взаимодействие между платиной и селеном создает благоприятные условия. Это шаг к высокоэффективным каталитическим системам, спроектированным на атомном уровне.

Реальная польза этого исследования лежит в области экологии и энергоэффективных технологий. Каталитические нейтрализаторы в автомобилях и на промышленных предприятиях используют платину для дожигания токсичного угарного газа до безвредного углекислого газа. Новый катализатор может сделать этот процесс дешевле (за счет экономии платины) и эффективнее, особенно при низких температурах, например, при холодном запуске двигателя. Это напрямую снизит вредные выбросы. Кроме того, эта технология может найти применение в системах преобразования CO₂, что актуально для борьбы с изменением климата.

Основное замечание касается готовности технологии к практическому применению. В исследовании использовались ультратонкие пленки в несколько нанометров, полученные в контролируемых лабораторных условиях. Масштабирование их производства до размеров, необходимых для промышленных каталитических реакторов, — это огромная инженерная проблема. Кроме того, долговременная стабильность материала в условиях реальных выхлопных газов, содержащих примеси и работающих при высоких температурах, не была изучена. Возможно, вакансии селена со временем будут «залечиваться» или засоряться, что приведет к деградации катализатора.

Ранеероссийские ученые нашли более эффективную замену металлическим катализаторам.