Одноатомные катализаторы (SACs) — это материалы, состоящие из отдельных атомов металла, диспергированных на подложке (то есть на поддерживающей поверхности). Недавние исследования показали перспективность этих катализаторов для эффективного преобразования и хранения энергии, особенно при использовании в топливных элементах и электролизерах воды.
Несмотря на преимущества, включая хорошую селективность (то есть способность производить определённые продукты), низкую стоимость и настраиваемую реакционную способность, одноатомные катализаторы (SACs) обычно имеют некоторые ограничения. В частности, подложки, использовавшиеся в прошлом, могут поддерживать лишь ограниченное количество SAC, что негативно сказывается на их коллективной каталитической эффективности.
Более того, когда на подложку загружено слишком много SAC, они могут образовывать кластеры, что также может снизить каталитическую эффективность материала. Поэтому в недавних исследованиях пытаются идентифицировать материалы, которые могут поддерживать больше SAC, не вызывая образования кластеров, и при этом позволяют атомам металла взаимодействовать с отдельными атомами поблизости для формирования двухъядерных катализаторов (DACs) — пар атомов металла, которые могут повысить каталитическую активность.
В статье, опубликованной в Nature Nanotechnology, исследователи из Национального университета Сингапура показали, что двумерный (2D) материал MoS₂ (дисульфид молибдена) может быть перспективной подложкой для использования SAC и DAC.
Они обнаружили, что выборочное удаление атомов серы с помощью метода, известного как электрохимическая десульфуризация, позволило создать в металлической фазе MoS₂, известной как 1T’-MoS₂, богатые вакансиями домены. Это, в свою очередь, позволило загрузить на подложку большое количество атомов металла.
«Интенсивные исследования одноатомных катализаторов (SAC) ведутся уже давно, но на большинстве подложек количество загружаемых SAC невелико, что приводит к низкой каталитической эффективности», — сказал Киан Пинг Ло, старший автор статьи, в интервью Phys.org. «Мы искали материал, который мог бы поддерживать высокую загрузку SAC. Эффективность катализа зависит от загрузки. Однако, если мы загрузим слишком высокую плотность, может произойти агрегация SAC с образованием кластеров, что снижает каталитическую эффективность».
Исследователи стремились найти подложку, которая могла бы иммобилизовать отдельные атомы и предотвратить агрегацию, даже если бы была разрешена некоторая ограниченная диффузия между ближайшими соседями SAC для формирования двухъядерных одноатомных катализаторов (DAC).
Двухъядерные катализаторы (DACs) — это пары различных атомов металла, которые синергетически взаимодействуют друг с другом, повышая катализ в некоторых реакциях. Было обнаружено, что такие пары атомов особенно эффективны для проведения реакций гидрирования — химических реакций, которые включают добавление атомов водорода к молекулам путём насыщения их кратных связей.
В своей статье Ло и его коллеги представили новый подход, облегчающий загрузку большего количества SAC на MoS₂, а также способствующий формированию DAC. Их предложенный подход основан на использовании электрохимической десульфуризации — выборочном удалении атомов серы из материала с помощью приложенного электрического тока.
«Мы создали вакансии для серы и молибдена в MoS₂ с помощью электрохимических методов», — объяснил Ло. «Эти вакансии позволяют загружать посторонние одиночные атомы с концентрацией, которая зависит от концентрации вакансий. Затем мы использовали рентгеновскую абсорбционную ближнекраевую тонкую структуру (operando X-ray absorption Near Edge fine structure) в Австралийском синхротроне, чтобы исследовать координационные окружения одиночных атомов меди и платины».
«Это дополнялось исследованиями с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения одноатомных катализаторов на обогащённой вакансиями подложке MoS₂», — добавил он.
В своих экспериментах исследователи исследовали каталитический материал, который они создали, с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии — метода отслеживания изменений в атомной структуре материала. Примечательно, что они обнаружили, что их подход успешно позволил осуществить обратимый переход от SAC к конфигурациям DAC на их подложке 1T’-MoS₂ с помощью электрического поля.
«Наиболее заметным достижением нашего исследования была обратимая генерация гетерогенных двухъядерных катализаторов по требованию (то есть под действием электрического поля)», — сказал Ло. «Обратимое связывание и разъединение двух разных атомов металла в DAC связано с протонированием и депротонированием атомов серы на матрице MoS₂. В нашей будущей работе мы планируем искать больше примеров одноатомных А и В, которые могут динамически объединяться для формирования двухъядерного катализатора под действием электрического поля».