Асимметричный рост меди на золотых наносферах создал катализатор со 100-процентной эффективностью

Электронная микроскопия высокого разрешения скорректировала представления о формировании биметаллических катализаторов типа «Янус». Химики из Технологического института Джорджии зафиксировали асимметричный рост меди на золотых ядрах. В ходе синтеза ученые наносили атомы меди на золотые наносферы диаметром 10 нанометров. Сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (HAADF-STEM) выявила не классическое параллельное размещение металлов, а двухэтапный механизм сборки. Изначально медь равномерно покрывает золото, создавая ультратонкую оболочку из интерметаллида (fct-AuCu). По достижении критического предела толщины процесс становится асимметричным: атомы скапливаются на одном участке, формируя неупорядоченный сплав (fcc-AuxCuy).

В результате образуются асимметричные нанокристаллы, химические свойства сторон которых различаются. Вычисления на основе теории функционала плотности (DFT) показали, что интерметаллическая фаза ускоряет активацию нитратов, тогда как зона сплава способствует адсорбции водорода. Подобное пространственное разделение функций исключает блокировку реактивных центров промежуточными побочными продуктами. Лабораторные испытания в электролите с добавлением 100 мМ нитрата калия подтвердили расчеты. При электрохимическом восстановлении нитратов (NO3RR) синтезированные нанокристаллы продемонстрировали 100-процентную фарадеевскую эффективность в диапазоне потенциалов от −0,2 до −0,6 вольт. Перенапряжение реакции составило 397 милливольт, превзойдя показатели большинства существующих катализаторов на основе меди.

Синтезированная структура имеет прикладное значение. Электрохимическая конверсия нитратов в чистый аммиак (NH3) при комнатной температуре выступает низкоуглеродной альтернативой промышленному процессу Габера-Боша. Разработанный механизм атомной сборки позволяет конструировать биметаллические катализаторы для декарбонизации химической промышленности.

Источник: Science Advances