Химики из Калифорнийского университета в Беркли (США) присмотрелись к катализатору MoS₂ повнимательнее и предложили свой путь многократного увеличения его каталитической активности, что может оказать огромное влияние на всю химическую индустрию, а также на появляющийся рынок топливных водородных элементов.

Катализаторы (материалы, ускоряющие химические реакции) широко используются в фармацевтической промышленности для синтеза лекарственных препаратов, а также в автомобильных каталитических конвертерах и топливных элементах, где их задача — ускорение (снижение энергозатрат) электролиза воды. Общим недостатком подавляющего большинства гетерогенных катализаторов является то, что химические реакции с их участием идут лишь на случайно образовавшихся активных центрах поверхности, которыми могут быть различные поверхностные дефекты материала, в то время как основная масса катализатора (а это зачастую очень дорогой металл) остаётся незадействованной, а потому теряется без пользы.

В статье, опубликованной в журнале Science, химики из Калифорнийского университета продемонстрировали подход, позволяющий сконструировать гетерогенный катализатор, который состоит практически из одних активных центров.

Рис. 1. Молибденит (сверху) — катализатор, но активными центрами являются только торчащие над поверхностью треугольники S-Mo-S (в кружочке). Внизу — MoS₂ на углеродном каркасе. (Иллюстрация Christopher Chang / UC Berkeley).

Кристофер Чан и его коллеги занимаются изучением свойств и разработкой возможных практических применений молибденита — минерала, особенно известного своей каталитической активностью в процессах электролиза воды (при этом образуются газы водород и кислород). Как и положено гетерогенному катализатору, каталитическая активность образца молибденита зависит от числа граней, где треугольники, образованные молибденом и двумя атомами серы, торчат наружу над поверхностью катализатора, словно орехи на ветке. Только такие треугольники оказываются вовлечёнными в каталитический процесс. И хотя молибденит несравненно дешевле любого из платиновых металлов, возможность применения как можно большего объема катализатора с пользой существенно снизила бы стоимость водородных топливных элементов.

Используя методы органического синтеза, г-н Чан и его коллеги создали небольшой углеродный каркас для сборки на нём треугольников MoS₂, с тем чтобы каждая такая молекула была активным каталитическим центром. Вот так и был получен высокоэффективный катализатор, способный работать даже в морской воде в течение нескольких дней без заметного затухания каталитической активности.

Да, пока создание такого катализатора в лабораторных условиях обходится не дешевле, чем использование традиционных драгоценных металлов, однако можно надеяться, что

усилия команды Кристофера Чана приведут в конце концов к разработке упрощённого метода приготовления катализатора на основе сульфида молибдена с миллиардами активных реакционных центров, которые обеспечат создание дешёвых, коммерчески жизнеспособных катализаторов для топливных элементов.