В 1980 году в двух независимых исследованиях было показано, что золото, которое долгое время считалось неактивным, может быть выдающимся катализатором химических реакций. Вопрос заключался только в том- каких реакций и какие размеры и масса золота являются оптимальными.

Ответы были получены довольно быстро. Частицы золота размером менее 5 нанометров в диаметре проявляют сильные каталитические свойства при депонировании их в реакции окисления металлов. В частности, частицы золота эффективны как катализатор при критической конверсии токсичного моноокиси углерода (СО) в менее опасную двуокись углерода (СО₂) при комнатной температуре и даже при столь низкой температуре, как 76^оС. Окисление СО жизненно важно для пожарных, входящих в горящие здания, а также критично для защиты водородных топливных ячеек от загрязнения окисью углерода.

В течение последних 20 лет ученые пытались понять как именно частицы золота осуществляют эту функцию катализатора. Ответ и на этот вопрос был получен. Исследователи из Университета Лихай (Lehigh University), Вифлеем, Пенсильвания, США и Университета Кардиффа (Cardiff University), Уэльс, Великобритания провели серию совместных экспериментов, в результате которых смогли определить, что проихсодит во время реакции окисления в присутствии частиц золота.

Ученые установили, что суб-нанометровые кластеры частиц золота всего половина нанометра в поперечнике и содержащие только 10 атомов, могут выступать в качестве катализатора в реакции окисления СО, будучи распределены соответствующим образом на подложке из оксида железа. Используя просвечивающий электронный микроскоп с корректировкой аберрации, который способен различать отдельные атомы золота, исследователи также установили, что некоторые предварительные приготовления- сушка катализатора в проточном воздухе, а не в неподвижном, как это делали ранее, помогает усилить каталитические свойства золота.

Материалы работы опубликованы в cентябрьском номере журнала Science, одного из престижных научных журналов США (Сhristopher Kiely, Graham Hutchings, Albert Carley, Philip Landon, Andrew Herzing. Identification of Active Gold Nanoclusters on Iron Oxide Supports for CO Oxidation. Science, Sept. 5, 2008). Лидер поставленной работы Кристофер Киели (Сhristopher Kiely), является директором Лаборатории Нанохарактеризации в Центре Прогрессивных Материалов и Нанотехнологии Университета Лихай. Это уже вторая публикация того же самого коллектива авторов в журнале Science за последние 2 года (в 2006 году они опубликовали статью об исследованиях каталитических свойств золото-палладиевых наночастиц).

В данной работе специалисты из Кардиффа были ответственны за изготовление, каталитическое тестирование наночастиц золота и характеризацию катализатора с использованием рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Группа в Песильвании использовала просвечивающий электронный микроскоп с корректировкой аберрации, который был разработан в университете для исследования частиц золота.

Исследователи сравнили две группы наночастиц. Одна из них, высушенная в статичном (неподвижном) воздухе, обладала слабыми каталитическими свойствами или не имела их вовсе. Другая группа образцов, высушенная в воздушном потоке, обладала 100% каталитических способностей. Для неактивного катализатора отмечено два типа образцов – частицы размером более 1 нм и отдельные атомы, рассеянные по подложке оксида железа. Для активного катализатора была обнаружена третья разновидность частиц золота- кластеры, имеющие суммарный поперечник порядка 0,5 нм и включающие в себя 8–12 атомов, расположенных в 2 слоя. Только 2 процента золота, депонированного на подложке, образует такие кластеры. При деактивации катализатора было обнаружено исчесзновение суб-нанометровых двухслойных кластеров. Таким образом, наличие или отсутствие двухслойных кластеров атомов золота строго коррелирует с наличием или отсутствием каталитических свойств в образцах, что позволило сделать вывод об их ответственности за каталитические свойства золота.

Катализаторы на основе наночастиц золота могут найти широкое применение в защитных масках пожарников и других специалистов, работающих в условиях где преобразование СО в СО₂ имеет жизненную важность. Другим применением катализатора может стать защита водородных топливных ячеек от загрязнения окисью углерода, всегда присутствующей в струе водородного топлива. Третья область применения – в процессах преобразования паров метана в водород.

Дополнительная информация: Центр Прогрессивных Материалов и Нанотехнологии Lehigh University

Евгений Биргер