Исследования, проведенные химиками из США и Китая, показали, что с помощью методов растворной химии можно получить катализаторы, в которых в качестве активных центров выступают отдельные изолированные атомы благородного металла, закрепленные на поверхности оксида металла.

Результаты работы могут оказаться полезными как в практическом плане – для разработки новых дешевых катализаторов для промышлености, так и для разработки теории катализа – информация о свойствах нового закрепленного катализатора позволит ответить на ряд фундаментальных вопросов, связанных с катализом.

Рис. 1. Отдельные атомы платины
(желтые шары на схеме и белые
точки на изображении, полученном
с помощью просвечивающего
электронного микроскопа) на
поверхности оксида железа
(фиолетовые и белые шары на
схеме) ускоряют окисление CO
в CO₂ (Рисунок из Nat.
Chem., DOI: 10.1038/nchem.1095).

Закрепленные катализаторы, состоящие из частиц платины или других драгоценных металлов, закреплённых на оксидной поверхности, широко используются как во многих процессах промышленного катализа, так и в системах очистки автомобильного выхлопа. Поскольку в каталитическом процессе оказываются непосредственно задействованными лишь ограниченное число атомов металла, расположенных на поверхности, производители катализаторов стараются уменьшать размеры частиц для максимального использования металла. Однако получение однородных частиц металла с размерами менее нанометра представляет собой непростую задачу, к тому же диффузия и агломерация частиц приводит к дезактивации катализатора.

Варьирование температуры, pH и других параметров совместного осаждения позволило международной исследовательской группе разработать метод синтеза, позволяющий обойти описанные выше проблемы. Микроскопия атомного разрешения и другие аналитические методы позволили исследовательским группам Тао Жанга (Tao Zhang) из Китайского Института Физической Химии и Цзиньгую Лю (Jingyue Liu) из Университета Миссури определить, что продуктом разработанного ими синтеза являются нанокристаллиты оксида железа, на поверхности которых диспергированы атомы платины.

Исследователи сравнили производительность полученного одноатомного катализатора с другими платинасодержащими катализаторами и высокоэффективными золотосодержащими катализаторами окисления СО (золотосодержащие катализаторы были взяты для сравнения). Ряд тестов показал, что катализатор может способствовать окислению CO в присутствии значительных количеств водорода. Такая каталитическая реакция позволяет очистить водород от следовых примесей CO – даже незначительное количество таких примесей может отравить катализаторы топливных ячеек, работающих на водороде.

Испытания также показали, что новый катализатор остается стабильным в обычных условиях реакции и проявляет каталитическую активность в два-три раза большую, чем остальные катализаторы.

Исследователи сравнили производительность полученного одноатомного катализатора с другими платинасодержащими катализаторами и высокоэффективными золотосодержащими катализаторами окисления СО (золотосодержащие катализаторы были взяты для сравнения). Ряд тестов показал, что катализатор может способствовать окислению CO в присутствии значительных количеств водорода. Такая каталитическая реакция позволяет очистить водород от следовых примесей CO – даже незначительное количество таких примесей может отравить катализаторы топливных ячеек, работающих на водороде. Испытания также показали, что новый катализатор остается стабильным в обычных условиях реакции и проявляет каталитическую активность в два-три раза большую, чем остальные катализаторы.

Чарльз Педен (Charles H. F. Peden) из Тихоокеанской Северо-западной Национальной лаборатории отмечает, что работа является восхитительной и своевременной. Он добавляет, что специалисты по катализу давно хотели получить ответ на вопрос:

«А может ли один атом играть роль активного центра в гетерогенном катализе?»,

и, как видно из результатов новой работы, ответ получен, и он утвердительный.