Ученые создали пятикомпонентный нанокристалл, который самособирается в упорядоченную структуру и превосходит рутений в катализе

Исследователи Стэнфордского университета и Корейского передового института науки и технологий (KAIST) синтезировали нанокристалл, включающий пять различных металлов, и обнаружили неожиданный эффект: с увеличением числа компонентов частицы становятся не хаотичными, а более однородными. Это открытие не только продвигает химию наноматериалов, но и обещает прорыв в водородной энергетике, особенно в реакциях разложения аммиака.

Нанокристаллы — структуры из нескольких или нескольких тысяч атомов, выстроенных в строгом порядке, широко используются в транзисторах, дисплеях, компонентах компьютеров и смартфонов. Из-за малых размеров они обладают огромной удельной поверхностью и поэтому служат эффективными катализаторами.

В этот раз ученые пошли дальше простых однокомпонентных нанокристаллов и взялись за синтез частицы из пяти металлов. Задача оказалась крайне сложной: каждый металл ведёт себя по-разному, и температура и время, необходимые для его восстановления из соединения до чистого металла, индивидуальны. В качестве базового компонента команда выбрала рутений — драгоценный металл с высокой каталитической активностью, добавив к нему четыре более доступных и распространённых элемента: железо, кобальт, никель и медь.

Согласно распространённому мнению, увеличение числа металлов ведёт к росту структурного беспорядка. На начальном этапе так и происходило: при введении двух металлов наряду с рутением наблюдался полный хаос; добавление третьего не улучшало ситуацию. Однако когда количество металлов достигло пяти, неупорядоченность исчезла. Из 31 потенциально возможной комбинации продуктов сформировался единственный гомогенный пятикомпонентный нанокристалл, в котором все элементы присутствуют в устойчивых пропорциях.

Ключевую роль в переходе от хаоса к порядку сыграла медь. Из четырёх неблагородных металлов медь является наиболее благородной и легче других восстанавливается до металлического состояния. Она осаждается первой на затравочных кристаллах рутения, но не смешивается с ним, а располагается рядом, формируя гетеродимер, который служит стабильным каркасом. Затем структура Cu–Ru запускает химическое «приглашение»: кобальт обладает сродством к рутению, а никель — к меди. Железо, восстанавливающееся труднее всего, осаждается последним, образуя внешнюю оболочку. В результате формируется частица с луковичной структурой: ядро из рутения, рядом с ним медь, промежуточный слой из кобальта и никеля, а внешняя оболочка обогащена железом. Весь процесс протекает самопроизвольно.

Помимо синтетического прорыва, учёные продемонстрировали, что в реакции разложения аммиака, которая приобретает всё большее значение, этот пятикомпонентный нанокристалл значительно превосходит по характеристикам однокомпонентные металлы. Водород сложно хранить и транспортировать, но его можно соединить с азотом в аммиак, который легко сжижается и перевозится. В точке назначения аммиак разлагают обратно на водород и азот. Однако реакция разложения обычно требует температуры выше 600°C, что создаёт серьёзную проблему для катализаторов.

Испытания показали, что пятикомпонентный нанокристаллический катализатор обеспечивает скорость реакции в 4 раза выше по сравнению со стандартным рутениевым катализатором. Более того, после 12 часов непрерывной работы при температуре 900°C он не утратил своих свойств, тогда как монометаллический рутениевый катализатор к этому моменту значительно деградировал.