Ученые из Рурского университета в Бохуме нашли объяснение того, почему нанокатализаторы из наночастиц золота, диспергированных на оксидах металлов, проявляют высокую каталитическую активность в водном растворе. Статья об открытии опубликована в журнале ACS Catalysis.

В большинстве промышленных процессов для окисления используются такие вещества, как хлор или органические пероксиды. В результате их применения создаются токсичные или бесполезные побочные продукты. Более экологично использовать атомарный кислород, который образуется при расщеплении молекулы O₂. Создать такой окислительный агент способна, например, система золото/оксид титана (Au/TiO₂).

Такие нанокатализаторы могут ускорять реакцию селективного окисления молекулярного водорода, монооксида углерода и особенно спиртов. Главной в этом процессе является реакция диссоциации молекулы кислорода, для начала которой обычно нужно преодолеть высокий энергетический барьер. Однако до сих пор было неизвестно, какую роль в этом процессе играют молекулы воды, ведь такие реакции протекают в водных растворах.

Ранее ученые уже показали, что молекулы воды активно участвуют в реакции окисления: они обеспечивают ступенчатый перенос заряда, который приводит к диссоциации кислорода в водной фазе. Теперь эта же команда исследователей показала, что сольватация нанокатализаторов молекулами воды облегчает активацию молекулярного кислорода на поверхности частиц.

Фактически молекулы воды помогают уменьшить энергетический барьер для диссоциации O₂. Исследователи подсчитали, что растворитель снижает затраты энергии на 25% по сравнению с газовой фазой.

В своей работе химики использовали моделирование молекулярной динамики с помощью метода ad initio. Этот тип методов полностью теоретический и основан только на законах квантовой механики, не включая эмпирических данных. С помощью моделирования исследователи построили модель наночастицы катализатора с 80 окружающими его молекулами воды. В предыдущих работах химики не получали подобных результатов, так как не учитывали сложность возникающих в результате сольватации структур и прибегали к упрощениям.

Ученые смоделировали экспериментальные условия с высокой температурой и давлением для получения профиля свободной энергии O₂ как в жидкой, так и в газовой фазе. В результате авторы смогли выяснить, почему сольватация так влияет на каталитическую активность.

Оказалось, что молекулы воды индуцируют увеличение заряда молекулы кислорода по сравнению с той, что находится на «голой» поверхности катализатора. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению энергетических затрат на диссоциацию.