Золотые нанокластеры, состоящие из нескольких десятков или сотен атомов, давно используются как модельные системы для изучения связи между атомным строением и свойствами материалов. Главная проблема — невозможность тонкой настройки структуры крупных кластеров на уровне отдельных атомов. Недавние успехи китайских учёных из Институтов физико-химических наук (Хэфэй, Китайская академия наук), Института инженерных процессов КАН и Чунцинского университета показали, что это всё же возможно.
Исследователи под руководством профессора У Чжикуна разработали новый способ синтеза многооболочечного золотого кластера [Au127I4(TBBT)48], где TBBT — объемный серосодержащий лиганд. Для стабилизации использовалась уникальная смесь тиоловых и иодных лигандов. В результате получился кластер с хорошо определённой атомной структурой.
Дальнейшая манипуляция проводилась введением дополнительных тиолов, что позволило удалить центральный атом золота, не разрушая целостность оболочек — такой процесс сравнивают с извлечением горошины из матрёшки без повреждения стенок. Итогом стала стабильная и диамагнитная частица Au126I4(TBBT)48.
На следующем этапе учёные подвергли этот кластер окислению, аккуратно убрав один электрон. Новый ион [Au126I4(TBBT)48]+ приобрёл парамагнитные свойства. Таким образом, был продемонстрирован беспрецедентный уровень контроля: изменение магнитного состояния нанокластера достигалось удалением одного атома и одного электрона.
Электронные измерения показали, что при удалении центрального атома и последующем окислении плотность спина смещается наружу, концентрируясь преимущественно на атомах иода, а не на атомах серы. Это свидетельствует о возможности управления распределением спина в кластере и предполагает его влияние на каталитические свойства.
Каталитические испытания проводились на реакции восстановления углекислого газа (CO₂) до оксида углерода (CO) — ключевого процесса для чистой энергетики. Диамагнитная версия нанокластера Au126I4 показала почти 100% фарадеевский выход при относительно низком напряжении. Парамагнитный аналог был значительно менее эффективен. Это подтверждает: магнитный спин прямо влияет на каталитическую активность.
Профессор У Чжикун отмечает: «Наши результаты дают важные представления о том, как спин влияет на каталитические свойства». По его словам, «это открывает новые стратегии для проектирования многофункциональных материалов на атомном уровне».
Достижение китайских учёных — редкость для наноматериалов: им удалось удалить отдельный атом и электрон, не разрушив структуру сложного кластера. Зафиксированное смещение спиновой плотности к иодным лигандам подчёркивает, что именно они играют ключевую роль в определении каталитической активности.
Результаты однозначно показывают: точное управление атомной и электронной структурой золотых нанокластеров позволяет выявить и контролировать влияние магнитного спина на катализ. Диамагнитное состояние, связанное с оптимальным распределением спина, обеспечивает максимальную эффективность превращения CO₂ в CO. Эти данные прокладывают путь к созданию новых катализаторов и функциональных материалов с заданными свойствами на атомарном уровне.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследователи под руководством профессора У Чжикуна разработали новый способ синтеза многооболочечного золотого кластера [Au127I4(TBBT)48], где TBBT — объемный серосодержащий лиганд. Для стабилизации использовалась уникальная смесь тиоловых и иодных лигандов. В результате получился кластер с хорошо определённой атомной структурой.
Дальнейшая манипуляция проводилась введением дополнительных тиолов, что позволило удалить центральный атом золота, не разрушая целостность оболочек — такой процесс сравнивают с извлечением горошины из матрёшки без повреждения стенок. Итогом стала стабильная и диамагнитная частица Au126I4(TBBT)48.
На следующем этапе учёные подвергли этот кластер окислению, аккуратно убрав один электрон. Новый ион [Au126I4(TBBT)48]+ приобрёл парамагнитные свойства. Таким образом, был продемонстрирован беспрецедентный уровень контроля: изменение магнитного состояния нанокластера достигалось удалением одного атома и одного электрона.
Электронные измерения показали, что при удалении центрального атома и последующем окислении плотность спина смещается наружу, концентрируясь преимущественно на атомах иода, а не на атомах серы. Это свидетельствует о возможности управления распределением спина в кластере и предполагает его влияние на каталитические свойства.
Каталитические испытания проводились на реакции восстановления углекислого газа (CO₂) до оксида углерода (CO) — ключевого процесса для чистой энергетики. Диамагнитная версия нанокластера Au126I4 показала почти 100% фарадеевский выход при относительно низком напряжении. Парамагнитный аналог был значительно менее эффективен. Это подтверждает: магнитный спин прямо влияет на каталитическую активность.
Профессор У Чжикун отмечает: «Наши результаты дают важные представления о том, как спин влияет на каталитические свойства». По его словам, «это открывает новые стратегии для проектирования многофункциональных материалов на атомном уровне».
Достижение китайских учёных — редкость для наноматериалов: им удалось удалить отдельный атом и электрон, не разрушив структуру сложного кластера. Зафиксированное смещение спиновой плотности к иодным лигандам подчёркивает, что именно они играют ключевую роль в определении каталитической активности.
Результаты однозначно показывают: точное управление атомной и электронной структурой золотых нанокластеров позволяет выявить и контролировать влияние магнитного спина на катализ. Диамагнитное состояние, связанное с оптимальным распределением спина, обеспечивает максимальную эффективность превращения CO₂ в CO. Эти данные прокладывают путь к созданию новых катализаторов и функциональных материалов с заданными свойствами на атомарном уровне.
