Новый подход к созданию эффективных одно- и двухатомных катализаторов на основе MoS!
Одноатомные катализаторы (SAC, от англ. single-atom catalysts) — это материалы, в которых отдельные атомы металла равномерно распределены на поверхности подложки. Благодаря своей структуре они обладают рядом преимуществ: высокой селективностью (способностью избирательно ускорять нужные химические реакции), регулируемой реактивностью и относительно низкой стоимостью. Эти свойства делают SAC особенно перспективными для применения в таких областях, как топливные элементы, электролиз воды и другие процессы преобразования энергии.
Проблема агрегации и ограниченной загрузки.
Несмотря на свои достоинства, SAC имеют важное ограничение: при увеличении количества атомов металла на подложке они склонны к агрегации — объединению в кластеры. Это приводит к потере уникальных свойств одноатомных катализаторов и снижению их эффективности. Кроме того, большинство традиционных подложек не способны удерживать большое количество отдельных атомов, что ограничивает каталитическую активность материала.
Решение от сингапурских учёных: MoS₂ и десульфурация.
Группа исследователей из Национального университета Сингапура предложила инновационное решение этой проблемы. Они использовали двумерный материал — дисульфид молибдена (MoS₂) в его металлической фазе 1T' — в качестве подложки для SAC. С помощью метода электрохимической десульфурации (удаления атомов серы под действием электрического тока) они создали на поверхности MoS₂ множество вакансий — пустых мест, куда могут "встраиваться" атомы металла.
Эти вакансии не только позволяют разместить большее количество атомов, но и предотвращают их агрегацию, стабилизируя их в виде отдельных частиц. Более того, при определённых условиях соседние атомы могут взаимодействовать, образуя двухатомные катализаторы (DAC) — пары атомов, которые работают синергетически и могут быть ещё более эффективными, чем одиночные атомы.
Управляемый переход между SAC и DAC
Одним из ключевых достижений работы стало то, что исследователи смогли управлять переходом между SAC и DAC с помощью электрического поля. Это означает, что можно "включать" и "выключать" взаимодействие между атомами, создавая катализаторы по требованию. Такой подход открывает путь к созданию динамически настраиваемых катализаторов, способных адаптироваться к условиям реакции.
Методы исследования и подтверждение результатов.
Для изучения структуры и поведения катализаторов учёные использовали:
• Рентгеновскую абсорбционную спектроскопию (XAS) — для анализа координационной среды атомов металла;
• Сканирующую просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения — для визуализации отдельных атомов на поверхности MoS₂;
• Синхротронное излучение — для проведения точных измерений в режиме *operando* (в реальном времени, в процессе реакции).
Выводы и перспективы!
Работа сингапурских учёных демонстрирует новый подход к созданию высокоэффективных катализаторов, способных работать в условиях высокой плотности активных центров без потери активности. Возможность управлять состоянием катализатора с помощью электрического поля делает такие материалы особенно ценными для будущих энергетических технологий, включая водородную энергетику, электрохимические преобразования и устойчивое производство топлива.
В дальнейшем команда планирует сследовать другие комбинации металлов, которые могут образовывать DAC и демонстрировать уникальные каталитические свойства.