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

20065[b]СПКЯ стало СПМЯ: почему переименование болезни, затрагивающей миллионы женщин, заняло... 20064[b]Почему великая пирамида Гизы пережила все землетрясения за 4500 лет[/b] 20063[b]Генетика Homo erectus: что зубная эмаль рассказала о наших предках[/b] 20062[b]Кости в бухте эребус: что кости моряков Франклина рассказывают спустя полтора века[/b] 20061[b]Крупнейший плавучий ветрогенератор в мире: Китай испытывает установку у берегов... 20060[b]Карие глаза младенца стали индиго после лечения от COVID-19[/b] 20058[b]Почему серебряная чаша с Афиной пролежала в немецком лесу две тысячи лет?[/b] 20057[b]Дыра в атмосфере солнца: вспышка достигла пика и может зажечь полярное сияние[/b] 20056[b]Динго возрастом 950 лет: кто и зачем кормил могилу животного сотни лет?[/b] 20055[b]Томоэ гозэн: женщина-самурай, которая существовала на самом деле[/b] 20054[b]Что видели астронавты «Аполлона-12» над лунным горизонтом?[/b] 20053[b]Восковой блокнот на латыни и шёлковая туалетная бумага: кто посещал средневековый... 20052[b]Хантавирус на борту: 41 человек под наблюдением после рейса MV Hondius[/b] 20051[b]Зелёные камни в пещере Пиренеев: четыре тысячи лет медной металлургии[/b]
Ссылка