Одноатомные катализаторы стали ближе к применению благодаря новому методу
Учёные совершили прорыв в создании катализаторов, работающих на уровне отдельных атомов, что открывает путь к более чистым и эффективным химическим процессам. Международная исследовательская группа из Италии, Японии и Швейцарии представила метод, который решает ключевую проблему одноатомных катализаторов — их склонность к агрегации в кластеры при повышении температуры. С помощью синтеза на поверхности под контролем сканирующей зондовой микроскопии исследователи создали одномерные органические полимеры, которые избирательно закрепляют металлические атомы в одинаковых, заранее спроектированных координационных узлах.
Полученная архитектура напоминает синтетический ферментный каркас, но обеспечивает гораздо более высокий уровень контроля. Это первый случай, когда полимерная структура была создана с периодическими боковыми ответвлениями, специально предназначенными для фиксации отдельных атомов в повторяющихся позициях. Платформа является стабильной, настраиваемой и позволяет каждому атому металла оставаться доступным для реагентов, что критически важно для максимальной каталитической активности.
Ведущий автор работы доктор Марко Ди Джованнантио подчеркнул, что для достижения предельной эффективности каждый атом катализатора должен быть открыт для взаимодействия, что невозможно в объёмных материалах или кластерах. Он отметил, что природа решает эту задачу через активные центры ферментов, а новый метод открывает путь к созданию катализаторов, близких к ферментативным, изолируя металлические атомы в одинаковых сайтах вдоль полимерных цепей с высокой стабильностью даже выше комнатной температуры.
Параллельное теоретическое исследование показало, что такая структура обеспечивает значительно более сильное связывание с ключевыми промышленными газами, такими как CO, O₂ и H₂, по сравнению с другими распространёнными каталитическими системами. Это усиливает реакционную способность и открывает возможности для изучения механизмов важных промышленных процессов, особенно тех, которые требуют селективной стабилизации промежуточных продуктов.
Одним из перспективных направлений является преобразование CO₂, где одноатомные катализаторы могут направлять углекислый газ в более ценные химические продукты с высокой точностью и меньшими энергозатратами. Как отметил профессор Акимицу Нарита, эта работа не только представляет новую стратегию конструирования одноатомных катализаторов с атомарно определёнными центрами, но и закладывает основу для рационального дизайна металлоорганических наноматериалов для различных применений.
Благодаря архитектуре, которая предотвращает слипание атомов, работает выше комнатной температуры и позволяет точечно настраивать активные центры, платформа может ускорить разработку каталитических технологий нового поколения, включая получение чистого топлива, экологически безопасный химический синтез и эффективные промышленные процессы конверсии.
Результаты исследования в журнале Nature Communications.