Магнитный спин как ключ к эффективности катализаторов на основе золотых нанокластеров

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.
Магнитный спин как ключ к эффективности катализаторов на основе золотых нанокластеров
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.


Новое на сайте

19817В Луксоре нашли стелу с римским императором в образе фараона 19816Экипаж Artemis II о моменте, когда земля исчезла за луной 19815Почему луна выглядит по-разному в разных точках земли? 19814Adobe экстренно закрыла опасную дыру в Acrobat Reader, которую хакеры использовали с... 19813Метеорный поток, рождённый из умирающего астероида 19812Когда робот пишет за тебя прощальную смс 19811Что общего у лунной миссии, толстого попугая, загадочной плащаницы и лекарства от диабета? 19810Какие снимки Artemis II уже стали иконами лунной программы? 19809Кто на самом деле хочет сладкого — вы или ваши бактерии? 19808Как рекламные данные 500 миллионов телефонов оказались в руках спецслужб? 19807Экипаж Artemis II вернулся на землю после десяти дней в космосе 19806Зелёная и коричневая луна: почему геологи Artemis II уже не могут усидеть на месте 19805Эксперты уверены в теплозащитном щите Artemis II, несмотря на проблемы предшественника 19804Выжить внутри торнадо: каково это — когда тебя засасывает в воронку 19803Аляскинские косатки-охотники на млекопитающих замечены у берегов Сиэтла
Ссылка