Иллюстративное изображение

Исследователи из Стэнфорда обнаружили, что в сложном мире нанотехнологий пять «голов» — или, точнее, пять металлов — лучше, чем одна.

Совместно с Корейским институтом передовых технологий (KAIST) команда учёных синтезировала однородный нанокристалл, состоящий из пяти разных металлов: рутения, железа, кобальта, никеля и меди.

Этот прорыв в области разработки наноматериалов может найти применение в сфере устойчивой энергетики, поскольку эти мультиметаллические катализаторы способны повысить эффективность производства и использования водорода.

Формирование кристалла

Нанокристаллы обладают высоким соотношением площади поверхности к объёму и служат эффективными катализаторами для ускорения химических реакций — от систем выхлопа автомобилей до медицинских диагностических тестов. Кроме того, эти частицы — важнейшие компоненты современной электроники: они обеспечивают работу транзисторов и дисплеев высокой чёткости в смартфонах и компьютерах.

В новой работе команда профессора Маттео Карньело (Matteo Cargnello), в партнёрстве с KAIST и BASF, бросила вызов традиционной химии, синтезировав высокооднородные нанокристаллы, состоящие из пяти различных металлов. Исследование выявило феномен «самоорганизации»: увеличение сложности металлической смеси приводит не к хаотичным, а к более согласованным и стабильным частицам.

Создание началось с рутения — драгоценного металла с высокой активностью, который послужил основой исследования. Учёные попытались соединить его с четырьмя более дешёвыми и распространёнными металлами: железом, кобальтом, никелем и медью. Изначально ожидалось, что такая сложная смесь приведёт к хаотичному «набору» неоднородных частиц из‑за разной скорости реакций каждого металла. Однако, как ни удивительно, сложность на деле обеспечила согласованность.

Если смеси из двух или трёх металлов получались неоднородными и нестабильными, то комбинация из пяти металлов парадоксальным образом самоорганизовалась в единый однородный продукт, свев 31 возможный химический исход к одному точному нанокристаллу.

«Удивительное открытие состоит в том, что, когда вы начинаете добавлять всё больше элементов — вплоть до пяти, — происходит противоположное тому, что мы ожидали, — сказал Карньело. — Все пять элементов вместе в одном нанокристалле в итоге выглядят как единый продукт».

Роль меди

Секретом такой упорядоченности, как ни странно, стало нежелание сотрудничать. С помощью замедленной съёмки учёные определили, что медь выступает ключевым «архитектором» процесса самоорганизации.

Медь — самый «активный» металл в смеси — отказывается смешиваться с рутением. Подобно маслу и воде, они остаются разделёнными, но соединёнными. Это создаёт физический каркас — своего рода химическое «приглашение» — для других металлов, которые присоединяются в определённой последовательности. Следующими присоединяются кобальт и никель, а в конце — железо, которое окутывает всю структуру защитной оболочкой по принципу луковицы.

«В результате получается структура, похожая на луковицу: рутений в ядре, рядом с ним — медь, кобальт и никель образуют промежуточные слои, а внешний слой богат железом», — отмечается в пресс‑релизе.

Применение в транспортировке водорода

Пятиметаллические нанокристаллы доказали свою эффективность в ускорении разложения аммиака — процесса, жизненно важного для водородной энергетики. Поскольку водород сложно транспортировать в газообразном состоянии, его часто преобразуют в жидкий аммиак для перевозки, а затем «расщепляют» обратно в топливо в пункте назначения. Хотя для этой химической реакции обычно требуются экстремальные температуры, новые мультиметаллические катализаторы представляют собой реальное решение для проведения реакции в таких сложных промышленных условиях.

В ходе испытаний пятиметаллический нанокристаллический катализатор показал скорость реакции в 4 раза выше, чем у стандартного рутениевого катализатора, и продемонстрировал исключительную термическую стабильность.

По сравнению со стандартными катализаторами, которые разрушаются или слипаются из-за спекания при высоких температурах, эти мультиметаллические частицы сохраняли эффективность даже после 12 часов при температуре 900 °C. В настоящее время компания BASF тестирует эти кристаллы в промышленных условиях.

Если результаты подтвердятся, то сложная технология смешивания пяти металлов может стать тем самым экологичным решением, которого так долго ждала мировая энергетическая система.