Наночастицы будущего

Современные исследования в области нанотехнологий открывают новые горизонты для энергетики и защиты окружающей среды. Одно из наиболее перспективных направлений — это использование высокоэнтропийных наночастиц в качестве катализаторов.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Эти материалы способны ускорять химические реакции эффективнее и дешевле традиционных решений, а также могут помочь в безопасной транспортировке водорода и очистке воздуха от выхлопных газов.

В материале для «Ъ-Науки» профессор проектного центра по энергопереходу Сколтеха и лауреат научной премии «Сбера» в 2024 году Александр Квашнин и старший научный сотрудник проектного центра по энергопереходу Сколтеха Илья Чепкасов рассказали, как были открыты такие частицы, почему их сложно изучать и какие перспективы они открывают для энергетики будущего.

Когда материал уменьшают до наноразмеров, его физические и химические свойства значительно изменяются. Металлы, измельченные до частиц в десятки тысяч раз меньше толщины человеческого волоса, демонстрируют принципиально новые характеристики. На этом масштабе обычные вещества приобретают особые свойства, наиболее важное из которых — повышенная способность ускорять химические реакции, то есть работать катализаторами.

Интерес к таким частицам возник не на пустом месте. Переломный момент наступил в 1987 году, когда ученый Масатакэ Харута совершил открытие, перевернувшее представления о химии. Он обнаружил, что наночастицы золота — металла, веками считавшегося химически пассивным и бесполезным для катализа,— вдруг стали активными помощниками в реакции окисления угарного газа. Секрет оказался в размере: только те частицы, что были меньше 5 нанометров, обрели эту суперспособность. Это стало началом «золотой лихорадки» в мире нанонауки.

Ученые поняли, что возможности наночастиц можно усиливать,— так родилась идея биметаллических сплавов. К примеру, медь — очень перспективный, но капризный материал. Она легко окисляется на воздухе и теряет свою активность. Решение нашли, добавив к ней стойкое и благородное золото. Этот тандем оказался не только стабильнее, но и каталитически сильнее, чем каждый металл в одиночку. Стало ясно, что, меняя состав и пропорции таких крошечных сплавов, можно тонко настраивать их свойства.

Затем ученые научились собирать из атомов еще более сложные структуры. Появились частицы типа «ядро — оболочка». В них одно металлическое ядро покрывается тончайшим слоем другого металла. Меняя «начинку» и оболочку, исследователи получили возможность программировать свойства таких частиц с ювелирной точностью.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Настоящая революция произошла с появлением высокоэнтропийных сплавов. Это уже не просто тандемы, а целые ансамбли из пяти, восьми и даже 11 разных металлов, собранные в одной наночастице. В таких частицах каждый атом оказывается в уникальном окружении соседей, как человек в толпе. Это смешение стирает его индивидуальные черты и наделяет совершенно новыми, коллективными свойствами. Потенциал здесь безграничен — можно создавать материалы с заранее заданными характеристиками.

Уже сегодня такие сплавы показывают рекордные результаты, например в генерации водорода из воды. Проще всего его производить путем расщепления воды. Водород называют топливом будущего — он лежит в основе зеленой энергетики. Уже сегодня топливные элементы на его основе используются в автомобилях, значительно увеличивая время их автономной работы.

Однако у водорода есть серьезный недостаток — он взрывоопасен, и его транспортировка сопряжена с рисками. Решением может стать преобразование водорода в аммиак. Аммиак производится в больших объемах, легко сжижается и безопасен в перевозке. На месте его снова можно превратить в водород с помощью катализаторов — уже для непосредственного использования в топливных элементах. Высокоэнтропийные частицы позволяют проводить эту конверсию при более низких температурах и давлениях, что снижает энергозатраты.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Другая актуальная задача — преобразование углекислого газа (CO2) в полезное топливо. Сложность в том, что молекула CO2 очень прочная и «разорвать» ее непросто. Благородные металлы хорошо справляются с этим, но они дорогие и часто производят ненужный водород. Медь способна создавать более сложные и ценные углеводороды, но ее работа не отличается чистотой. И здесь снова приходят на помощь сплавы.

Сегодня в выхлопных системах автомобилей используются дорогие металлы: платина, палладий и родий. Высокоэнтропийные частицы содержат меньше таких металлов, но при этом обладают более высокой каталитической активностью. Это значит, что они эффективнее преобразуют вредные газы (такие как СО) в безопасные соединения. Результат — более чистый воздух и потенциально более доступные по цене автомобили.

Несмотря на успехи, у ученых остается много вопросов. Как точно предсказать, какая именно структура биметаллической частицы окажется самой эффективной? По каким правилам создавать сложные «коктейли» из множества металлов для конкретных задач? Как разглядеть активные центры, где происходят реакции, в сложном хаосе сплава?

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Поиском ответов на эти вопросы занимается в том числе и наша научная группа в Сколтехе. Основная сложность в работе с такими частицами заключается в том, что практически невозможно предсказать, как именно расположатся атомы разных металлов на поверхности. Когда частица состоит из восьми и более элементов, количество возможных вариантов становится огромным. Для решения этой проблемы мы проводим компьютерное моделирование: специальные программы рассчитывают наиболее вероятные структуры, что помогает понять, какие металлы и в каком порядке окажутся на поверхности.

Вторая важная задача — научиться управлять составом поверхности. Это сложно, потому что частицы очень малы, а их состав сложен. Часто происходит так, что в ходе химических реакций состав поверхности может меняться: одни атомы вымываются, а другие, например золото, остаются. Поскольку золото само по себе не очень активно в катализе, это может снижать эффективность частицы.

Для решения этой задачи мы разработали метод, позволяющий целенаправленно изменять состав поверхности. С помощью специальных газовых сред можно «вернуть» золото внутрь частицы, а на поверхность вывести более активные металлы. Этот процесс проводится на атомарном уровне.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Наночастицы — это принципиально новый инструмент, позволяющий управлять химическими процессами на фундаментальном уровне. Ученые сегодня научились собирать их, как из конструктора, создавая биметаллические тандемы, структуры «ядро — оболочка» и сложные многокомпонентные сплавы с заранее заданными свойствами.

Эта возможность конструировать материалы от атома к наночастице открывает революционные перспективы. Мы можем создавать катализаторы, которые работают с беспрецедентной эффективностью и селективностью, потребляя при этом меньше энергии и дешевых материалов. Такие разработки уже сегодня находят применение в ключевых областях: в зеленой энергетике для получения и хранения водорода, в защите окружающей среды для очистки выбросов и преобразования CO2 в полезные продукты, а также в промышленности для создания более экономичных и экологичных производственных процессов.

Лаборатория промышленно-ориентированного поиска материалов Сколтеха занимается решением задач поиска новых функциональных и конструкционных материалов с использованием современных методов цифрового дизайна материалов и искусственного интеллекта. Основными направлениями исследований являются: 1) поиск структуры и составов тугоплавких инструментальных керамик на основе карбидов и боридов переходных металлов, в том числе высокоэнтропийных; 2) исследования взаимосвязи «структура — свойства» для каталитических наночастиц различных составов и сложности, имеющих применения для критически важных химических процессов; 3) разработка предиктивных цифровых алгоритмов для эффективного анализа структуры и свойств функциональных материалов.

Подготовлено при поддержке Сколтеха