Катализаторы — вещества, ускоряющие химические реакции. Они нужны повсеместно, например, для снижения токсичности выбросов автомобилей. Большая часть всех проводимых в промышленных масштабах химических реакций — каталитические. Поиск новых, максимально эффективных, катализаторов — одна из важнейших научных задач, этим заняты научные коллективы во всём мире. К сожалению, основной метод поиска — перебор вариантов. Учёные вынуждены ставить множество экспериментов, большинство которых не приносят желаемого результата. Ситуацию может изменить метод, разрабатываемый в НИТУ «МИСиС».
Сходные по свойствам вещества могут показывать совершенно разную каталитическую активность. До сих пор учёным приходится измерять её экспериментально. Крайне необходимо научиться предсказывать способность вещества катализировать ту или иную реакцию, только это выведет задачу поиска катализаторов на принципиально новый уровень.
Пользу внедрения такого метода трудно переоценить. Тысячи химических процессов можно было бы проводить с лучшими результатами — дешевле и чище. Особенно это касается нефтехимии (переработка тяжёлых фракций нефти) и химического синтеза.
С появлением нанотехнологий список возможных катализаторов увеличился на порядки (мы не раз писали о наноматериалах-катализаторах, например, «Катализатор для водородных топливных элементов можно приготовить в микроволновке»). Химики выделили несколько ранее неизвестных разновидностей веществ, которые склонны проявлять отличные каталитические свойства. Особенно хорошо себя проявили наночастицы драгоценных металлов. Опыты показали, что каталитические свойства таких материалов зависят от размера частиц.
Куда двигаться дальше? Перебирать миллионы пар «возможный катализатор — реакция»? Учёные из лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС» и Линчёпингского университета (швед. Linköpings universitet, LiU) (Швеция) разработали метод, позволяющий вычислять искомую зависимость. Расчёты проводятся на суперкомпьютерном кластере Cherry, установленном в НИТУ «МИСиС». Руководитель проекта — профессор Игорь Анатольевич Абрикосов.
«Существует гипотеза, что изменение электронных уровней в атомах катализатора коррелирует с его каталитической активностью, — рассказывает соавтор статьи, сотрудник лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС» Алексей Таль. — Это означает, что вместо дорогой серии из нескольких сотен или тысяч экспериментов по проверке каталитической активности предполагаемых катализаторов достаточно просто провести анализ рентгеновских спектров».
Гипотеза основана на опубликованной в журнале Science работе, в которой описывают свои эксперименты с палладием учёные из Университета Юты (University of Utah) в Солт-Лейк-Сити (США).
«Мы изучали конфигурацию энергетических электронных уровней в атомах золота, собранных в одни из самых компактных и структурированных наночастиц — нанокластеры, — продолжает Алексей Таль. — Их выделяют в отдельную группу, потому что у нанокластеров точно известно количество атомов, из которых они состоят, а также структура (например, они могут собраться в додекаэдр или икосаэдр). Поэтому изменения в структуре электронных уровней, которые происходят в момент взаимодействия нанокластера внешними атомами, можно чётко рассчитать».
Алексей Таль подчеркнул, что в каталитических реакциях участвуют только поверхностные атомы катализатора, а нанокластер весь состоит из поверхностных и приповерхностных (влияющих на конфигурацию поверхностных) атомов. Поэтому с данной точки зрения это также оптимальная модель для расчётов. Изменения касаются всех уровней в атоме, на которых находятся электроны, однако исследователи взяли для обсчитывания только один, потому что изменения именно в этом уровне, происходящие при формировании нанокластера из отдельных атомов, наиболее заметны.
Теперь, когда изменения электронных уровней в нанокластерах вычислены, учёным НИТУ «МИСиС» предстоит сделать следующий шаг — вычислить энергию поглощения для тех же кластеров, которая и служит мерилом каталитической активности, и составить прогностическую таблицу, по которой можно будет вычислять способность к катализу для любых наночастиц по измеренным изменениям в электронных уровнях.
«Для некоторых систем такие расчёты уже проводились, однако такой системный подход, который позволяет однозначную установить зависимость между изменениями в электронных уровнях и каталитической активностью, пока никто не использовал», — отметил исследователь.
Работа опубликована в журнале Physical Review B.
