Nature Communications: Ученые придумали, как защитить золотые катализаторы

Впервые исследователи, в том числе из Токийского университета, обнаружили способ повысить долговечность золотых катализаторов путем создания защитного слоя из кластеров оксидов металлов.

Улучшенные золотые катализаторы могут выдерживать более широкий спектр физических воздействий по сравнению с незащищенными аналогичными материалами. Это может расширить спектр их возможного применения, а также снизить энергопотребление и затраты в некоторых ситуациях. Такие катализаторы широко используются в промышленности, включая химический синтез и производство лекарств, и эти отрасли могут извлечь выгоду из использования улучшенных золотых катализаторов.

Все любят золото: спортсмены, пираты, банкиры — все. Оно исторически было привлекательным металлом, из которого изготавливали разные вещи: медали, украшения, монеты и так далее. Причина, по которой золото кажется нам таким блестящим и манящим, заключается в том, что оно химически устойчиво к физическим условиям, которые в противном случае могли бы потускнеть для других материалов, например, к нагреву, давлению, окислению и другим негативным факторам. Однако, как ни парадоксально, в наноскопических масштабах крошечные частицы золота меняют эту тенденцию и становятся очень реактивными, настолько, что уже долгое время они необходимы для создания различных видов катализаторов — промежуточных веществ, которые ускоряют или каким-либо образом позволяют протекать химической реакции. Другими словами, они полезны или необходимы для превращения одного вещества в другое, отсюда и их широкое применение в синтезе и производстве.

Золото — прекрасный металл, который по праву пользуется заслуженным признанием в обществе, и особенно в науке, — говорит доцент Косуке Судзуки с кафедры прикладной химии Токийского университета.

Он отлично подходит для катализаторов и может помочь нам в синтезе самых разных веществ, включая лекарства. Причины этого в том, что золото обладает низким сродством к поглощению молекул, а также высокой избирательностью в отношении того, с чем оно связывается, поэтому оно позволяет очень точно контролировать процессы химического синтеза. Золотые катализаторы часто работают при более низких температурах и давлении по сравнению с традиционными катализаторами, требуя меньше энергии и снижая воздействие на окружающую среду.

Как бы ни было хорошо золото, у него есть некоторые недостатки. Оно становится тем более реакционноспособным, чем меньше его частицы, и есть момент, когда катализатор, изготовленный из золота, может начать испытывать негативное воздействие тепла, давления, коррозии, окисления и других условий. Судзуки и его команда решили, что могут улучшить ситуацию, и разработали новый защитный агент, который позволит золотому катализатору сохранять свои полезные функции, но в более широком диапазоне физических условий, которые обычно мешают или разрушают типичный золотой катализатор.

Современные золотые наночастицы, используемые в катализаторах, имеют определенный уровень защиты благодаря таким агентам, как додеканетиолы и органические полимеры. Но наш новый катализатор основан на кластере оксидов металлов, называемых полиоксометаллатами, и он обеспечивает гораздо более высокие результаты, особенно в отношении окислительного стресса, — говорит Судзуки.

В настоящее время мы изучаем новые структуры и области применения полиоксометаллатов. На этот раз мы применили полиоксометаллаты к золотым наночастицам и убедились, что полиоксометаллаты улучшают прочность наночастиц. Настоящим вызовом было применение широкого спектра аналитических методов для проверки и подтверждения всего этого.

Команда использовала целый ряд методов, известных под общим названием спектроскопия. Было использовано не менее шести спектроскопических методов, которые различаются по типу информации, которую они раскрывают о материале и его поведении. Но, в общем, они работают путем подачи света на вещество и измерения того, как этот свет изменяется, с помощью специальных датчиков. Судзуки и его команда провели несколько месяцев, проводя различные тесты и меняя конфигурацию своего экспериментального материала, пока не нашли то, что искали.

Мы не просто пытаемся улучшить некоторые методы химического синтеза. У наших улучшенных золотых наночастиц есть множество применений, которые могут быть использованы на благо общества, — говорит Судзуки.

Катализаторы для разрушения загрязнений (многие бензиновые автомобили уже оснащены привычным катализатором), менее вредные пестициды, «зеленая» химия для возобновляемых источников энергии, медицинские вмешательства, сенсоры для обнаружения патогенов, передающихся через пищу, — список можно продолжать. Но мы также хотим пойти дальше. Наши следующие шаги будут направлены на расширение диапазона физических условий, к которым мы можем сделать наночастицы золота более устойчивыми, а также на то, как мы можем придать прочность другим полезным каталитическим металлам, таким как рутений, родий, рений и, конечно, то, что люди ценят еще больше, чем золото: платину.

06.02.2024