Ученые из Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН, Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН и Новосибирского государственного университета вместе с иностранными коллегами модифицировали катализаторы, состоящие из металла и графеновых фрагментов, атомами азота. Это привело к значительному ускорению реакции, сопровождающейся интенсивным выделением водорода, который может быть использован для получения электроэнергии. Работа была проведена в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом, а его результаты были опубликованы в виде статей в журналах Journal of Materials Chemistry A и ChemSusChem, а также двух статей в журнале ACS Catalysis.

Около 90% химических продуктов получают с помощью катализаторов — веществ, ускоряющих химические реакции. В важных промышленных реакциях в качестве катализаторов часто используют металлы платиновой группы (кроме платины, к ним относятся палладий, иридий, родий, рутений и осмий), главный недостаток которых — высокая цена. Активными центрами таких реакций обычно являются атомы на поверхности наночастиц металла.

Ученые создали катализаторы с моноатомными центрами. Такие центры представляют собой изолированные друг от друга атомы металла, стабилизированные носителем — обычно инертным веществом, на котором находятся активные центры катализатора. Это позволяет эффективно использовать каждый атом металла. В случае прочной связи атома металла с поверхностью носителя катализатор может стабильно работать в течение длительного времени.

Ученые использовали углеродный носитель, состоящий из графеновых фрагментов. На концах таких фрагментов находятся атомы углерода, но в ходе исследования ученые провели модифицирование: они заменили некоторые атомы углерода на атомы азота. Это привело к многократному увеличению выделения водорода при разложении органической муравьиной кислоты (HCOOH), которая может быть легко получена из биомассы.

«Доказано, что модифицирование углеродного носителя (на котором закреплены металлы платиновой группы или меди) азотом ускоряет разложение муравьиной кислоты при контакте с катализатором. В процессе разложения многократно увеличивается выход водорода, который используют для получения электроэнергии. Модифицирование приводит к созданию атомов азота на краях графеновых фрагментов, которые способны надежно удерживать металлы в изолированном атомарном состоянии», — рассказала руководитель проекта Любовь Булушева, главный научный сотрудник Института неорганической химии СО РАН.

В ходе работы ученые использовали различные методы исследования катализаторов, а также квантово-химические расчеты. Обнаружение изолированных атомов стало возможным благодаря электронной микроскопии с атомарным разрешением. Этот метод играет значительную роль в развитии исследований в области катализа моноатомными центрами.

Исследователи полагают, что полученные результаты могут привести к разработке новых, активных и стабильных катализаторов для получения водорода из разных соединений. Ученые надеются расширить диапазон каталитических реакций, которые могут протекать с высокими скоростями на таких катализаторах с изолированными атомами металла, нанесенными на азотсодержащий углеродный носитель, и усовершенствовать методы приготовления указанных систем.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Университета Лимерика (Ирландия) и Университета Пармы (Италия), а также исследовательских центров nanoGUNE (Испания) и SuperSTEM (Великобритания).