Любая химическая реакция требует преодоления энергетического барьера. Чтобы исходные вещества начали взаимодействовать, им необходим первоначальный импульс. В промышленных масштабах этот порог зачастую оказывается слишком высоким, что значительно увеличивает стоимость производства. Для повышения эффективности процессов химики используют катализаторы – специальные вещества, снижающие уровень необходимой энергии. Наиболее эффективные из них обычно содержат металлы, включая редкие и дорогостоящие элементы.
Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха представили систему, которая существенно оптимизирует получение метанола из углекислого газа и водорода. Ученым удалось добиться предельно эффективного использования индия: в новом катализаторе каждый отдельный атом металла выступает в роли самостоятельного активного центра. Это принципиальное отличие от традиционных методов, где металлы применяются в форме наночастиц, объединяющих сотни или тысячи атомов.
Для фиксации одиночных атомов индия на поверхности оксида гафния ученые разработали метод синтеза в пламени при температуре от 2000 до 3000 градусов Цельсия с последующим резким охлаждением. В таких условиях атомы индия прочно закрепляются на носителе, сохраняя высокую реакционную способность. Полученный материал продемонстрировал исключительную долговечность и стабильность в жестких условиях, характерных для промышленного производства метанола, – при давлении до 50 атмосфер и температуре около 300 градусов.
Переход к архитектуре из одиночных атомов решает проблему нерационального использования ресурсов. В обычных катализаторах большая часть металла находится внутри частиц и не участвует в реакции, тогда как новая разработка задействует каждый атом. Кроме того, такая структура облегчает изучение механизмов химических процессов: отсутствие фоновых сигналов от неактивных слоев металла позволяет ученым более точно анализировать происходящее на поверхности.
Метанол является востребованным сырьем для производства широкого спектра материалов, включая пластики и различные виды топлива. При использовании водорода и энергии из возобновляемых источников синтез метанола может стать углеродно-нейтральным процессом. Это превращает углекислый газ из побочного продукта выбросов в ценный ресурс для химической промышленности. По словам профессора Хавьера Переса-Рамиреса, работающего над этой проблемой более десяти лет, использование изолированных атомов индия показало заметно более высокую эффективность, чем применение традиционных наночастиц.
