Катализ — ускорение химической реакции с помощью специального вещества — критически важен и в промышленности, и в повседневности. Около 80% всех химических продуктов получают с его участием, а технологии вроде катализаторов выхлопных газов или топливных клеток тоже построены на этом принципе. Один из самых эффективных и универсальных катализаторов — платина. Но она редкая, дорогая, а ее производство связано с большими выбросами CO₂. Поэтому важно использовать ее минимально, но с максимальной отдачей.

В последние годы ученые разрабатывают катализаторы с отдельными атомами платины, где каждый атом участвует в реакции. Их создают, закрепляя атомы платины на пористом материале, например, на азотсодержащем углеводороде. Азот здесь — как якорь, удерживающий платину.

Группа исследователей из ETH Zurich, Университетов Лиона и Орхуса под руководством Хавьера Переса-Рамиреса и Кристофа Копере обнаружила, что такие катализаторы сложнее, чем казалось. С помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) они выяснили: атомы платины в них окружены разными атомами, и это влияет на их работу. Теперь можно создавать более эффективные материалы.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — метод, который позволяет «увидеть» атомы в молекуле или материале, заставляя их ядра реагировать на магнитное поле. Каждый атом „звучит“ по-своему, и по этим „нотам“ можно понять, кто его соседи и как они расположены.

Результаты опубликованы в издании Nature.

Как это открыли

Раньше отдельные атомы платины изучали только под электронным микроскопом — картинка красивая, но бесполезная для понимания их свойств. Перес-Рамирес и Копере задумались, как их лучше исследовать. Идея пришла случайно — во время встречи в рамках программы NCCR Catalysis.

Они решили применить ЯМР — метод, лежащий в основе МРТ в больницах. В молекулах резонансная частота зависит от расположения атомов. То же и с платиной: ее «звучание» меняется в зависимости от соседей — углерода, азота, кислорода.

Проблема была в том, что сигналы смешивались, как голоса в шумном оркестре. Помог еще один случай: во время визита в Лион один из исследователей познакомился с экспертом по моделированию из Орхуса. Вместе они создали программу, которая «выловила» нужные сигналы из общего шума.

Что это дает

Теперь ученые могут точно определять, какие атомы окружают платину и как они расположены. Это открывает путь к созданию катализаторов, где каждый атом работает максимально эффективно.

Этот метод — новый стандарт в области, — говорит Перес-Рамирес.

Копере добавляет:

Теперь мы можем патентовать катализаторы, потому что способны описать их на атомном уровне.

Этот метод позволяет точечно настраивать катализаторы, что приведет к:

• Снижению затрат на производство (меньше платины → дешевле процесс).
• Уменьшению выбросов CO₂ (энергоемкость добычи платины огромна).
• Улучшению КПД топливных элементов и систем очистки выхлопов.

Особенно важно для зеленой энергетики: более эффективные катализаторы ускорят переход на водородные технологии.

Метод ЯМР требует сложного оборудования и глубокой экспертизы в интерпретации данных. Это может замедлить внедрение в промышленность. Кроме того, пока не ясно, как масштабировать производство таких «идеальных» катализаторов без потери эффективности.

Ранее российские ученые открыли органический катализатор, который имитирует металлы.