Полимерная литография помогла найти новые катализаторы

Химики разработали новый метод для поиска и исследования новых типов металлических катализаторов. Эффективность предложенного подхода, основанного на использовании сканирующей полимерной литографии, была показана с помощью разработки нового катализатора для реакции получения водорода — массива наночастиц сплава платины, золота и меди на углеродной подложке, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.

В качестве одной из основных альтернатив современным методам производства электроэнергии ученые называют использование топливных элементов. Поскольку топливом для таких ячеек обычно служит водород, то химики находятся в постоянном поиске все более эффективных способов его хранения и получения. Сейчас для промышленного получения водорода для топливных элементов, как правило, применяются электрокаталитические методы с использованием в качестве катализаторов материалов на основе платины, однако для дальнейшего повышения эффективности этого процесса исследователи ищут новые соединения, которые бы могли бы ускорить процесс получения водорода и увеличить его выход.

С помощью теоретических подходов, компьютерного моделирования и экспериментальных методов химики обычно перебирают возможные варианты соединений, которые состоят не из единственного металла, а представляют собой сплавы из двух или трех металлов. Однако из-за недостаточной проработанности используемых экспериментальных методик такой подход занимает довольно много времени и не всегда приводит к ожидаемым результатам.

Химики из США и Китая под руководством Чада Миркина (Chad A. Mirkin) из Северо-Западного университета предложили для поиска новых металлических катализаторов, в том числе для реакции получения водорода, использовать новый экспериментальный метод, позволяющий получать катализаторы на основе упорядоченных массивов большого количества металлических наночастиц. При этом каждая из частиц в катализаторе может представлять собой или индивидуальный металл: платину, золото, медь или никель, — или сплав из двух или трех нескольких металлов.

Предложенный учеными подход основан на сканирующем литографическом методе с использованием блок-сополимеров (гетерополимеров, в которых участки различного состава располагаются чередующимися по длине молекулы блоками). При использовании такой методики водорастворимые соли металлов, из которых затем образуются необходимые металлические наночастицы, сначала помещаются в полимерные «наноконтейнеры», а потом с помощью специальной технологии сканирующей полимерной литографии — polymer pen lithography — наносятся на углеродную подложку. После высокотемпературной обработки (сначала в восстановительной атмосфере водорода при 500 градусах Цельсия, а затем в нейтральной атмосфере аргона — при 1500 градусах Цельсия) на подложке из полимерных частиц образуются металлические наночастицы катализатора размером от 15 до 20 нанометров. Затем такая подложка с наночастицами встраивается в электрокаталитическую ячейку, в которой и происходит процесс получения водорода из кислого раствора электролита.

Чтобы сузить диапазон поиска новых материалов, ученые сначала рассчитали эффективность катализа с использованием наночастиц различного состава теоретически — с помощью теории функционала плотности. В результате были синтезированы катализаторы четырех различных составов, которые должны были обладать максимальной эффективностью: бинарные сплавы платины с золотом, медью и никелем, — а также сплавы, содержащие по три металла: золото, платину и никель или золото, платину и медь.

Экспериментальные измерения показали, что наиболее эффективным катализатором из исследованных оказались наночастицы размером примерно 18 нанометров из сплава золото-платина-медь (в соотношении 1:1:1). Элементный анализ с помощью электронной и рентгеновской спектроскопии показал, что предложенный учеными метод действительно приводит к образованию однофазного сплава. Именно это позволило поддерживать на необходимом уровне скорость адсорбции водорода и привело к увеличению эффективности катализатора: плотность тока в электрокаталитической ячейке с катализатором из наночастиц из исследуемого сплава оказалась примерно в 10 раз выше, чем у стандартного катализатора на основе платины при той же разности потенциалов, а активность — более чем в 7 раз выше.

Ученые отмечают, что активность полученного ими катализатора не падает даже после 10 тысяч циклов работы ячейки. При этом в дальнейшем она может быть дополнительно повышена за счет оптимизации размеров наночастиц и их структуры, а также повышения чистоты фазового состава в объеме и на поверхности наночастиц.

По словам авторов работы, предложенный ими метод поиска и исследования новых металлических катализаторов можно использовать и для изучения катализаторов для других типов реакций. При этом метод позволяет получать катализаторы больших площадей, состоящие из нескольких миллионов наночастиц.