Используя ядерный магнитный резонанс, исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха изучили атомное окружение отдельных атомов платины в твёрдых носителях, а также их пространственную ориентацию. В будущем этот метод можно будет использовать для оптимизации производства одноатомных катализаторов.
Катализаторы: важность и применение
Катализаторы — это вещества, ускоряющие химические реакции. Они играют чрезвычайно важную роль в промышленности и повседневной жизни. Около 80% всех химических продуктов производятся с помощью катализаторов, а такие технологии, как каталитические нейтрализаторы выхлопных газов или топливные элементы, также основаны на этом принципе.
Одним из особенно эффективных и универсальных катализаторов является платина. Однако платина — очень редкий и дорогой драгоценный металл, производство которого связано с выбросами CO₂. Поэтому важно использовать её как можно меньше, максимально повышая эффективность.
Одноатомные катализаторы
В последние годы учёные пытаются разработать так называемые одноатомные катализаторы, в которых каждый атом участвует в химической реакции. Эти катализаторы создаются путём нанесения отдельных атомов платины на поверхность пористого материала-носителя, например, углерода, легированного атомами азота. Атомы азота служат точками закрепления, к которым могут присоединяться атомы платины.
Команда исследователей под руководством Хавьера Переса-Рамиреса и Кристофа Копере в Департаменте химии и прикладных наук о жизни Швейцарской высшей технической школы Цюриха вместе с коллегами из университетов Лиона и Орхуса показала, что такие одноатомные катализаторы сложнее, чем считалось ранее.
Используя ядерный магнитный резонанс, они смогли доказать, что отдельные атомы платины в таком катализаторе могут иметь очень разные атомные окружения, которые влияют на их каталитическое действие. В будущем это открытие позволит разработать более эффективные каталитические материалы.
Исследователи опубликовали свои [находки](https://www.nature.com/articles/s41586-025-09068-x) в журнале Nature.
«До сих пор отдельные атомы платины можно было наблюдать только через „линзу“ электронного микроскопа — это выглядит впечатляюще, но мало что говорит нам об их каталитических свойствах», — говорит Перес-Рамирес.
Вместе с Копере он задумался о том, как можно более точно охарактеризовать отдельные атомы платины. Сотрудничество началось со случайной встречи во время встречи в рамках программы NCCR Catalysis.
После встречи двое исследователей разработали идею попробовать ядерный магнитный резонанс. В этом методе, на котором основан МРТ в больнице и который обычно используется для исследования молекул в лабораториях, спины атомных ядер в сильном статическом магнитном поле реагируют на колебательные магнитные поля определённой резонансной частоты.
В молекулах эта резонансная частота зависит от того, как разные атомы расположены внутри молекулы.
«Аналогично, на резонансные частоты отдельных атомов платины влияют их атомные соседи — например, углерод, азот или кислород — и их ориентация относительно статического магнитного поля», — объясняет Копере.
Это приводит к появлению множества различных резонансных частот, подобно разным тонам в оркестре. Выяснить, какой инструмент издаёт определённый тон, непросто.
«По счастливой случайности во время визита в Лион один из нас встретился с экспертом по моделированию из Орхуса, который в то же время находился там», — говорит Копере. Такие встречи и сотрудничество, возникающее в результате них, необходимы для научного прогресса, добавляет он.
Вместе с сотрудником ETH они разработали компьютерный код, который позволил выделить множество различных «тонов» отдельных атомов платины из общей массы.
В результате был совершён прорыв в описании одноатомных катализаторов: исследовательская группа смогла составить своего рода карту, показывающую тип и положение атомов, окружающих атомы платины.
«Этот аналитический метод устанавливает новый стандарт в этой области», — говорит Перес-Рамирес.
С помощью этого метода, который является общедоступным, протоколы производства одноатомных катализаторов можно оптимизировать таким образом, чтобы все атомы платины имели индивидуальные окружения. Это следующая задача для команды.
«Наш метод также важен с точки зрения интеллектуальной собственности», — говорит Копере: «Возможность точно описать катализаторы на атомном уровне позволяет нам защищать их с помощью патентов».