Исследователи из США и Китая разработали новый метод производства платиновых нанокристаллов с реакционной способностью на единицу площади более чем на 400% выше, чем у существующих платиновых катализаторов.

Секрет эффективности новых нанокристаллов – в их необычной тетрагексаэдрической структуре с 24 гранями. Такие кристаллы могут быть использованы для повышения эффективности химических процессов, таких как каталитическое окисление в топливных элементах или производство водорода для них.

На сегодняшний день платина является важнейшим катализатором в отрасли топливных элементов и в других областях. За десять лет, прошедших с выхода первой работы по контролированию формы нанокристаллов платины, учёные в основном исследовали кубические, тетраэдрические и октаэдрические частицы.

Рис. 1. Наночастицы платины

Такие кристаллиты формируются низкоиндексными кристаллическими плоскостями {111}, {100} и {110}, в то время как наибольшей каталитической активностью обладают высокоиндексные плоскости, такие как {210} и {410}.

До сих пор производство и стабилизация нанокристаллов платины с высокоэнергетическими поверхностями оставались труднодостижимыми. Но теперь исследователи из Технологического Института Джорджии (Georgia Institute of Technology) и их китайские коллеги разработали новый электрохимический метод для синтеза высокочистых тетрагексаэдрических нанокристаллов платины. Такие частицы обладают 24 гранями и содержат высокоиндексные плоскости {730} и «соседние» плоскости {210} и {310} с высокой плотностью ступенек и оборванных связей на поверхности. Такая «грубость» поверхностной структуры повышает химическую активность частиц на 400% по сравнению с наночастицами с ровными, гладкими поверхностями.

В качестве начального сырья брались поликристаллические платиновые сферы диаметром 750 нм, которые электродиспергировались на подкладке из аморфного углерода. Затем сферы помещали в электрохимическую ячейку с кислотой и подвергали действию ступенчатого переменного потенциала с частотой 10–20 Гц. Такая электрохимическая реакция превращает сферы в тетрагексаэдрические кристаллы меньшего размера (в среднем 81 нм). Размер частиц контролируется изменением числа циклов прикладываемого потенциала.

Новые частицы стабильны при температурах до 800 градусов. Это позволит использовать их в топливных элементах, где необходимы высокие температуры. В дальнейших планах исследователей снижение размеров кристаллов, что позволит снизить расход дорогого сырья – платины.

Василий Артюхов