Исследовательская группа из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) и Хакасского государственного университета провела детальное изучение наночастиц иридия и палладия с различными типами ядро-оболочечных структур. Руководил проектом профессор Александр Квашнин, доктор физико-математических наук, ведущим автором публикации стал Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Центра энергетического перехода Сколтеха. Результаты работы опубликованы в авторитетном издании Journal of Catalysis.
В центре внимания исследования оказались наночастицы диаметром 2 нанометра: иридиевые, палладиевые, сплавы и ядро-оболочечные структуры двух типов — с иридиевым ядром и палладиевой оболочкой, а также с палладиевым ядром и иридиевой оболочкой. Ключевой интерес представляли их каталитические свойства в реакциях эволюции кислорода (OER), эволюции водорода (HER), восстановления кислорода (ORR), а также в реакции окисления монооксида углерода и различных органических процессах.
Переход от микрочастиц к наночастицам радикально меняет их физические и химические свойства. При диаметре 2 нм число атомов на поверхности становится сопоставимым с общим числом атомов частицы, что приводит к доминированию квантовых эффектов в поведении материала. Благодаря этим особенностям наночастицы находят применение не только в катализе, но и в системах доставки лекарств, светодиодных дисплеях и производстве химических удобрений.
Структура ядро-оболочка играет решающую роль в формировании каталитических свойств. Геометрия и толщина оболочки относительно ядра определяют распределение заряда на поверхности наночастицы. Авторы подробно исследовали влияние состава, кристалличности и локального атомного окружения на электронные характеристики, в частности на поверхностный заряд.
Одной из особенностей наночастиц оказалось существенное снижение температуры плавления по сравнению с массивными образцами иридия или палладия. При нагревании такие нанокатализаторы могут переходить в аморфное состояние, характеризующееся отсутствием дальнего порядка в расположении атомов. До сих пор большинство исследований сосредотачивались на кристаллических структурах, однако эта работа впервые уделяет внимание переходу к аморфному состоянию и его влиянию на каталитическую активность.
Ключевое открытие касается распределения электронного заряда в ядро-оболочечных наночастицах. В структурах с иридиевым ядром и атомарно тонкой палладиевой оболочкой был выявлен значительный перенос электронов от ядра к оболочке, что формирует заметно отрицательный заряд на поверхности. При этом тип структуры — кристаллическая или аморфная — практически не влияет на это распределение заряда.
Профессор Александр Квашнин подчеркивает: «Определение состава поверхности биметаллических наночастиц — одна из самых сложных задач современной науки о материалах. Только понимание на атомарном уровне позволяет прогнозировать их поведение в катализе».
Илья Чепкасов акцентирует внимание на особенностях наночастиц: «Температура плавления наночастиц значительно ниже, чем у массивных образцов. Мы поставили задачу проследить, как изменяются их свойства при переходе к аморфному состоянию».
Результаты исследования показали, что именно архитектура ядро-оболочка, а не степень кристалличности, определяет поверхностные электронные свойства наночастиц на основе иридия и палладия. Это открывает новые возможности для создания более эффективных нанокатализаторов, устойчивых к температурным воздействиям и обладающих уникальными электронными характеристиками.
Изображение носит иллюстративный характер
В центре внимания исследования оказались наночастицы диаметром 2 нанометра: иридиевые, палладиевые, сплавы и ядро-оболочечные структуры двух типов — с иридиевым ядром и палладиевой оболочкой, а также с палладиевым ядром и иридиевой оболочкой. Ключевой интерес представляли их каталитические свойства в реакциях эволюции кислорода (OER), эволюции водорода (HER), восстановления кислорода (ORR), а также в реакции окисления монооксида углерода и различных органических процессах.
Переход от микрочастиц к наночастицам радикально меняет их физические и химические свойства. При диаметре 2 нм число атомов на поверхности становится сопоставимым с общим числом атомов частицы, что приводит к доминированию квантовых эффектов в поведении материала. Благодаря этим особенностям наночастицы находят применение не только в катализе, но и в системах доставки лекарств, светодиодных дисплеях и производстве химических удобрений.
Структура ядро-оболочка играет решающую роль в формировании каталитических свойств. Геометрия и толщина оболочки относительно ядра определяют распределение заряда на поверхности наночастицы. Авторы подробно исследовали влияние состава, кристалличности и локального атомного окружения на электронные характеристики, в частности на поверхностный заряд.
Одной из особенностей наночастиц оказалось существенное снижение температуры плавления по сравнению с массивными образцами иридия или палладия. При нагревании такие нанокатализаторы могут переходить в аморфное состояние, характеризующееся отсутствием дальнего порядка в расположении атомов. До сих пор большинство исследований сосредотачивались на кристаллических структурах, однако эта работа впервые уделяет внимание переходу к аморфному состоянию и его влиянию на каталитическую активность.
Ключевое открытие касается распределения электронного заряда в ядро-оболочечных наночастицах. В структурах с иридиевым ядром и атомарно тонкой палладиевой оболочкой был выявлен значительный перенос электронов от ядра к оболочке, что формирует заметно отрицательный заряд на поверхности. При этом тип структуры — кристаллическая или аморфная — практически не влияет на это распределение заряда.
Профессор Александр Квашнин подчеркивает: «Определение состава поверхности биметаллических наночастиц — одна из самых сложных задач современной науки о материалах. Только понимание на атомарном уровне позволяет прогнозировать их поведение в катализе».
Илья Чепкасов акцентирует внимание на особенностях наночастиц: «Температура плавления наночастиц значительно ниже, чем у массивных образцов. Мы поставили задачу проследить, как изменяются их свойства при переходе к аморфному состоянию».
Результаты исследования показали, что именно архитектура ядро-оболочка, а не степень кристалличности, определяет поверхностные электронные свойства наночастиц на основе иридия и палладия. Это открывает новые возможности для создания более эффективных нанокатализаторов, устойчивых к температурным воздействиям и обладающих уникальными электронными характеристиками.
