Полімерну літографію пристосували для пошуку ефективних металевих каталізаторів

Хіміки розробили новий метод для пошуку і дослідження нових типів металевих каталізаторів. Ефективність запропонованого підходу, заснованого на використанні скануючої полімерної літографії, була показана за допомогою розробки нового каталізатора для реакції отримання водню - масиву наночастинок сплаву платини, золота і міді на вуглецевій підкладці, пишуть вчені в.

В якості однієї з основних альтернатив сучасним методам виробництва електроенергії вчені називають використання паливних елементів. Оскільки паливом для таких осередків зазвичай служить водень, то хіміки знаходяться в постійному пошуку все більш ефективних способів його зберігання і отримання. Зараз для промислового отримання водню для паливних елементів, як правило, застосовуються електрокаталітичні методи з використанням в якості каталізаторів матеріалів на основі платини, однак для подальшого підвищення ефективності цього процесу дослідники шукають нові сполуки, які б могли прискорити процес отримання водню і збільшити його вихід.

За допомогою теоретичних підходів, комп'ютерного моделювання та експериментальних методів хіміки зазвичай перебирають можливі варіанти сполук, які складаються не з єдиного металу, а являють собою сплави з двох або трьох металів. Однак через недостатню опрацьованість використовуваних експериментальних методик такий підхід займає досить багато часу і не завжди призводить до очікуваних результатів.

Хіміки з США і Китаю під керівництвом Чаду Міркіна (Chad A. Mirkin) з Північно-Західного університету запропонували для пошуку нових металевих каталізаторів, у тому числі для реакції отримання водню, використовувати новий експериментальний метод, що дозволяє отримувати каталізатори на основі впорядкованих масивів великої кількості металевих наночастинок. При цьому кожна з частинок в каталізаторі може являти собою або індивідуальний метал: платину, золото, мідь або нікель, - або сплав з двох або трьох декількох металів.

Запропонований вченими підхід заснований на скануючому літографічному методі з використанням блок-сополімерів (гетерополімерів, в яких ділянки різного складу розташовуються з довжиною молекули блоками). При використанні такої методики водорозчинні солі металів, з яких потім утворюються необхідні металеві наночастинки, спочатку поміщаються в полімерні «наноконтейнери», а потім за допомогою спеціальної технології скануючої полімерної літографії - polymer pen lithography - наносяться на вуглецеву підкладку. Після високотемпциплної обробки (спочатку у відновлювальній атмосфері водню при 500 градусах Цельсія, а потім у нейтральній атмосфері аргону - при 1500 градусах Цельсія) на підкладці з полімерних частинок утворюються металеві наночастинки каталізатора розміром від 15 до 20 нанометрів. Потім така підкладка з наночастинками вбудовується в електрокаталітичну комірку, в якій і відбувається процес отримання водню з кислого розчину електроліту.

Щоб звузити діапазон пошуку нових матеріалів, вчені спочатку розрахували ефективність каталізу з використанням наночастинок різного складу теоретично - за допомогою теорії функціоналу щільності. В результаті були синтезовані каталізатори чотирьох різних складів, які повинні були володіти максимальною ефективністю: бінарні сплави платини із золотом, міддю та нікелем, - а також сплави, що містять по три метали: золото, платину і нікель або золото, платину і мідь.

Експериментальні виміри показали, що найбільш ефективним каталізатором з досліджених виявилися наночастинки розміром приблизно 18 нанометрів зі сплаву золото-платина-мідь (у співвідношенні 1:1:1). Елементний аналіз за допомогою електронної та рентгенівської спектроскопії показав, що запропонований вченими метод дійсно призводить до утворення однофазного сплаву. Саме це дозволило підтримувати на необхідному рівні швидкість адсорбції водню і призвело до збільшення ефективності каталізатора: щільність струму в електрокаталітичному осередку з каталізатором з наночастинок з досліджуваного сплаву виявилася приблизно в 10 разів вище, ніж у стандартного каталізатора на основі платини при тій же різниці потенціалів, а активність - більш ніж в 7 разів вище.

Вчені відзначають, що активність отриманого ними каталізатора не падає навіть після 10 тисяч циклів роботи осередку. При цьому надалі вона може бути додатково підвищена за рахунок оптимізації розмірів наночастинок та їх структури, а також підвищення чистоти фазового складу в обсязі та на поверхні наночастинок.

За словами авторів роботи, запропонований ними метод пошуку і дослідження нових металевих каталізаторів можна використовувати і для вивчення каталізаторів для інших типів реакцій. При цьому метод дозволяє отримувати каталізатори великих площ, що складаються з декількох мільйонів наночастинок.

Крім створення ефективних каталізаторів для отримання водню для широкого розповсюдження водневих паливних елементів необхідні також матеріали, що дозволяють цей водень зберігати. Для отримання таких матеріалів пропонують використовувати найрізноманітніші підходи: це може бути, наприклад, електроосадження паладієвих нанопроволок, з яких потім отримують палладієву нанопену, або гідротермальна карбонізація сигаретних недопалків.