Химики разработали новый метод для поиска и исследования новых типов металлических катализаторов. Эффективность предложенного подхода, основанного на использовании сканирующей полимерной литографии, была показана с помощью разработки нового катализатора для реакции получения водорода — массива наночастиц сплава платины, золота и меди на углеродной подложке, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.

В качестве одной из основных альтернатив современным методам производства электроэнергии ученые называют использование топливных элементов. Поскольку топливом для таких ячеек обычно служит водород, то химики находятся в постоянном поиске все более эффективных способов его хранения и получения. Сейчас для промышленного получения водорода для топливных элементов, как правило, применяются электрокаталитические методы с использованием в качестве катализаторов материалов на основе платины, однако для дальнейшего повышения эффективности этого процесса исследователи ищут новые соединения, которые бы могли бы ускорить процесс получения водорода и увеличить его выход.

С помощью теоретических подходов, компьютерного моделирования и экспериментальных методов химики обычно перебирают возможные варианты соединений, которые состоят не из единственного металла, а представляют собой сплавы из двух или трех металлов. Однако из-за недостаточной проработанности используемых экспериментальных методик такой подход занимает довольно много времени и не всегда приводит к ожидаемым результатам.

Химики из США и Китая под руководством Чада Миркина (Chad A. Mirkin) из Северо-Западного университета предложили для поиска новых металлических катализаторов, в том числе для реакции получения водорода, использовать новый экспериментальный метод, позволяющий получать катализаторы на основе упорядоченных массивов большого количества металлических наночастиц. При этом каждая из частиц в катализаторе может представлять собой или индивидуальный металл: платину, золото, медь или никель, — или сплав из двух или трех нескольких металлов.

Предложенный учеными подход основан на сканирующем литографическом методе с использованием блок-сополимеров (гетерополимеров, в которых участки различного состава располагаются чередующимися по длине молекулы блоками). При использовании такой методики водорастворимые соли металлов, из которых затем образуются необходимые металлические наночастицы, сначала помещаются в полимерные «наноконтейнеры», а потом с помощью специальной технологии сканирующей полимерной литографии — polymer pen lithography — наносятся на углеродную подложку. После высокотемпературной обработки (сначала в восстановительной атмосфере водорода при 500 градусах Цельсия, а затем в нейтральной атмосфере аргона — при 1500 градусах Цельсия) на подложке из полимерных частиц образуются металлические наночастицы катализатора размером от 15 до 20 нанометров. Затем такая подложка с наночастицами встраивается в электрокаталитическую ячейку, в которой и происходит процесс получения водорода из кислого раствора электролита.

Чтобы сузить диапазон поиска новых материалов, ученые сначала рассчитали эффективность катализа с использованием наночастиц различного состава теоретически — с помощью теории функционала плотности. В результате были синтезированы катализаторы четырех различных составов, которые должны были обладать максимальной эффективностью: бинарные сплавы платины с золотом, медью и никелем, — а также сплавы, содержащие по три металла: золото, платину и никель или золото, платину и медь.

Экспериментальные измерения показали, что наиболее эффективным катализатором из исследованных оказались наночастицы размером примерно 18 нанометров из сплава золото-платина-медь (в соотношении 1:1:1). Элементный анализ с помощью электронной и рентгеновской спектроскопии показал, что предложенный учеными метод действительно приводит к образованию однофазного сплава. Именно это позволило поддерживать на необходимом уровне скорость адсорбции водорода и привело к увеличению эффективности катализатора: плотность тока в электрокаталитической ячейке с катализатором из наночастиц из исследуемого сплава оказалась примерно в 10 раз выше, чем у стандартного катализатора на основе платины при той же разности потенциалов, а активность — более чем в 7 раз выше.

Ученые отмечают, что активность полученного ими катализатора не падает даже после 10 тысяч циклов работы ячейки. При этом в дальнейшем она может быть дополнительно повышена за счет оптимизации размеров наночастиц и их структуры, а также повышения чистоты фазового состава в объеме и на поверхности наночастиц.
По словам авторов работы, предложенный ими метод поиска и исследования новых металлических катализаторов можно использовать и для изучения катализаторов для других типов реакций. При этом метод позволяет получать катализаторы больших площадей, состоящие из нескольких миллионов наночастиц.

Кроме создания эффективных катализаторов для получения водорода для широкого распространения водородных топливных элементов необходимы также материалы, позволяющие этот водород хранить. Для получения таких материалов предлагают использовать самые разнообразные подходы: это может быть, например, электроосаждение палладиевых нанопроволок, из которых затем получают палладиевую нанопену, или гидротермальная карбонизация сигаретных окурков.