Новая полимерная платформа фиксирует отдельные атомы металла в точных местах, повышая стабильность и обеспечивая более чистые каталитические реакции.
Ученые сделали большой шаг на пути к созданию катализаторов, которые работают атом за атомом с беспрецедентным контролем.
Одноатомные катализаторы часто приветствуются как будущее более чистых и эффективных химических реакций.
Однако заставить их работать вне криогенных лабораторий остаётся серьёзной инженерной и материалоёмкой проблемой. Атомы имеют тенденцию объединяться в кластеры при повышении температуры, и поместить их в точно подобранную химическую среду практически невозможно.
Теперь международная исследовательская группа, в состав которой вошли специалисты из Италии, Японии и Швейцарии, продемонстрировала революционный метод, позволяющий преодолеть оба препятствия одновременно.
Используя метод поверхностного синтеза (ОСС) под руководством сканирующей зондовой микроскопии с атомным разрешением, ученые создали одномерные органические полимеры, способные избирательно закреплять атомы металлов в однородных, специально спроектированных координационных центрах.
Результат: настраиваемая архитектура на молекулярном уровне, которая ведет себя как синтетический ферментный каркас, только гораздо более контролируемая.
Разработанная атомная точность
По словам группы, это первый случай изготовления полимерной структуры с периодическими боковыми расширениями, специально разработанными для связывания отдельных атомов в повторяющихся положениях.
Платформа является надежной, настраиваемой и разработана таким образом, чтобы каждый атом металла подвергался воздействию реагентов, что является ключевым требованием для максимальной каталитической активности.
Ведущий автор доктор Марко Ди Джованнантонио четко описал мотивацию.
«Чтобы достичь максимальной каталитической эффективности, мы должны гарантировать, что каждый атом нашего катализатора доступен для реагентов — это невозможно в объемных материалах или кластерах, где внутренние атомы скрыты».
Он добавил, что природа уже решает эту проблему с помощью активных центров ферментов, отметив: «Наш метод открывает новые возможности в области почти ферментативных катализаторов, изолируя атомы металла в однородных участках вдоль полимерных цепей с удивительной стабильностью, даже при температуре выше комнатной».
Группа также подчеркнула адаптивность архитектуры, которая может поддерживать различные металлы и лиганды в зависимости от целевой реакции.
Более сильное связывающее поведение
Параллельное теоретическое исследование изучало, как эти связанные с полимером отдельные атомы взаимодействуют с ключевыми промышленными газами. Результаты оказались поразительными: структура продемонстрировала гораздо более прочное связывание с CO, O₂ и H₂ по сравнению с другими распространёнными каталитическими структурами.
Эта повышенная реакционная способность открывает возможности для изучения механизмов, лежащих в основе основных промышленных процессов, особенно тех, которые требуют избирательной стабилизации промежуточных продуктов реакции.
Одной из областей непосредственного интереса является конверсия CO₂, где одноатомные катализаторы могут преобразовывать диоксид углерода в более ценные химические продукты с более высокой точностью и меньшими энергозатратами.
Концептуальный скачок выходит за рамки катализа.
Как отметил профессор Акимицу Нарита: «Эта работа не только представляет новую стратегию создания одноатомных катализаторов с атомно-определенными реакционными центрами, но и закладывает основу для рационального проектирования металлоорганических наноматериалов для различных будущих применений».
Исследователи утверждают, что благодаря архитектуре, которая наконец-то предотвращает слипание атомов, работает при температуре выше комнатной и может быть спроектирована на месте, платформа может ускорить разработку каталитических технологий следующего поколения, включая более чистое топливо, более экологичный химический синтез и более эффективные промышленные пути преобразования.
Выводы и методологические детали группы были опубликованы в журнале Nature Communications.
Sourse: interestingengineering.com
