Мельчайшая золотая пыль открывает дорогу к дешёвым и эффективным катализаторам

Большинство ценит золото в слитках, да чтобы те были покрупнее, а вот учёных из Венского технологического университета (Австрия) интересует золотая пыль. Причём чем мельче каждая пылинка, тем интереснее, вплоть до отдельных атомов, поскольку именно атомы золота — потенциально наиболее активные катализаторы химических реакций.

Картинка, полученная с помощью технологии поверхностного монтажа: поверхность оксида железа с закреплёнными атомами золота (здесь и далее иллюстрации Vienna University of Technology).

Однако при нанесении атомов на поверхность они начинают слипаться, образуя несколькоатомные крупицы драгоценного металла. К счастью, австрийцы нашли способ закрепить отдельные атомы золота на поверхности оксида железа. На практике это означает появление более эффективных катализаторов, требующих меньше драгметалла. Рассказ об этом исследовании можно найти в Physical Review Letters.

Золото, относящееся к группе благородных металлов, с большой неохотой вступает в какие-либо реакции, в которых образуются связи с другими элементами. Однако в качестве катализатора оно способно ускорять определённые химические превращения (к примеру, конверсию токсичного угарного газа в диоксид углерода). Эффективность золота как катализатора зависит от размера его частиц. Есть сведения, что наибольшая каталитическая активность достигается тогда, когда катализатор существует в виде отдельных атомов.

К сожалению, проверить это теоретическое предположение на практике до сих пор не удавалось из-за нестабильности моноатомного физического состояния элемента: при нанесении атомов золота на поверхность те мгновенно собираются вместе, образуя наночастицы. Повышение температуры, как можно предположить, приводит к более высокой мобильности атомов золота. Таким образом, для предотвращения сращивания большинство поверхностей должно быть охлаждено до таких температур, когда перестают протекать даже каталитические реакции.

А вот учёным из Венского технологического университета посчастливилось найти особый тип железно-оксидной поверхности Fe₃O₄(001), способной удерживать отдельные атомы золота на одном месте.

Волнообразные линии, образованные атомами кислорода поверхностного слоя.

Ключом к успеху послужило наличие небольших деформаций кристаллической структуры оксида железа. Кислородные атомы самого верхнего слоя никогда не бывают идеально выровнены. Вместо этого линии, образованные поверхностными атомами кислорода, выгнуты в виде лёгких волн атомами, находящимися в слое под ними. В точках, где линии кислородных атомов проходят близко друг от друга, атомы золота закрепляются настолько хорошо, что даже нагревание не может сдвинуть их с насиженных мест. Авторы работы утверждают, что лишь температуры, превышающие 500 ˚C, способны заставить атомы начать снова двигаться, образуя кластеры.

При попадании на поверхность оксида железа атомы золота активно мигрируют до тех пор, пока не найдут точку постоянной фиксации. Таким образом, множество одиночных атомов может располагаться близко друг к другу без тяги к слипанию. Но когда следующий атом золота попадает на то же место, где уже находится один закреплённый атом, они связываются и начинают двигаться вдоль поверхности, собирая другие атомы. При достижении критического размера в пять атомов образовавшаяся мельчайшая частица, миниатюрный золотой самородок, вновь становится неподвижной.

Подготовлено по материалам Венского технологического университета.

www