Раскрывая потенциал одноатомного платины нулевой валентности для усиления активации кислорода при низких температурах

Очистка загрязнённого воздуха при помощи крошечных металлических помощников

Во многих городах возникают проблемы с невидимыми токсичными парами, выделяемыми красками, топливом и промышленными растворителями. Одним из самых распространённых виновников является толуол — летучее органическое соединение, вредящее качеству воздуха и здоровью человека. Очистка таких загрязнителей из потоков выхлопных газов обычно требует много тепла и энергии, что делает процесс дорогостоящим. В этом исследовании рассматривается создание нового типа ультраэффективного катализатора, способного удалять эти вещества при значительно более низких температурах, что потенциально сокращает энергозатраты и повышает чистоту воздуха.

Почему важны одиночные атомы

Катализаторы — это материалы, ускоряющие химические реакции, не расходуясь при этом. Благородные металлы, такие как платина, являются отличными катализаторами, но они редки и дороги. Традиционно их используют в виде наночастиц, где значительная часть металла оказывается «погребённой» и неактивной. В последнее время учёные разработали «катализаторы с одиночными атомами», при которых отдельные атомы металла распределены по поверхности носителя так, что практически каждый атом может участвовать в реакции. Однако такие одиночные атомы часто удерживаются в положительно заряженном состоянии окружающими атомами кислорода, что снижает их способность активировать молекулярный кислород — ключевой шаг для сжигания загрязнителей вроде толуола.

Создание нового типа активного центра

Авторы поставили цель получить одиночные атомы платины, ведущее себя больше как металлическая платина в проволоке или частицы — то есть в так называемом нулевом валентном состоянии с богатым запасом электронов. Они зафиксировали атомы платины на ультратонких листах оксида кобальта, которые уже содержали множество атомарных дефектов. Щадящая обработка водородом при всего 180 °C позволила избирательно удалить определённые атомы кислорода вокруг платины, не допуская образования сгустков. Это привело к образованию изолированных атомов платины, которые больше не были окружены кислородом, а вместо этого напрямую связывались с соседними кобальтовыми атомами. Продвинутая микроскопия и компьютерное моделирование подтвердили, что эти одиночные атомы действительно находились в близком к нулю валентном состоянии и оставались стабильными на двумерной подложке.

Превращение кислорода в более мощное средство очистки

Чтобы понять, почему новые центры работают лучше, исследователи сравнили две версии катализатора: с обычными высоковалентными атомами платины и с атомами платины нулевой валентности. Они обнаружили, что нулевалентные центры гораздо сильнее притягивали молекулы кислорода к поверхности и растягивали связь между двумя атомами кислорода, облегчая её разрыв. По сути, атомы платины передавали электроны в кислород, превращая его в высокореактивные формы, которые значительно эффективнее атакуют толуол. Измерения видов кислорода на поверхности и тесты по восстановимости материала подтверждали наличие более активного кислорода в катализаторе с нулевалентной платиной.

Более быстрое разложение толуола при меньших температурах

При пропускании потоков толуола и кислорода через катализаторы нулевалентные атомы платины продемонстрировали значительно лучшую работу по сравнению как с версией с высоковалентной платиной, так и с чистым оксидом кобальта. Новый катализатор достигал 90% превращения толуола в углекислый газ примерно при 140 °C, тогда как другим материалам требовались существенно более высокие температуры. Нормировка по площади поверхности и содержанию платины показала, что каждый нулевалентный атом платины был в несколько, а то и почти в десять раз эффективнее в продвижении реакции. Катализатор также сохранял активность по крайней мере в течение 48 часов и оставался эффективным даже во влажном воздухе, что обычно представляет проблему для практических применений.

Более гладкий химический путь

Подробные исследования методом инфракрасной спектроскопии и масс-спектрометрии показали, что толуол не просто сгорает в один шаг. Вместо этого он проходит через серию промежуточных соединений, прежде чем кольцо откроется, и вещество в конечном счёте превратится в более мелкие молекулы, а затем в углекислый газ и воду. Компьютерное моделирование продемонстрировало, что на нулевалентных платиновых центрах эта последовательность протекает по иному и более энергоэффективному пути, чем на одном лишь оксиде кобальта. Новый путь как снижает энергетические барьеры для ранних стадий окисления, так и облегчает раскрытие кольца, что помогает объяснить, почему катализатор так хорошо работает при относительно низких температурах.

Что это означает для более чистой и дешёвой борьбы с загрязнениями

Проще говоря, исследователи спроектировали экономичный и мощный «химический фильтр», в котором каждый отдельный атом платины используется по максимуму. Сохраняя платину в нулевалентном, электронно насыщенном состоянии и закрепляя её на специально сконструированном оксидном листе, они существенно улучшили активацию кислорода и разложение стойких молекул вроде толуола. Эта концепция может служить ориентиром при разработке катализаторов следующего поколения для очистки воздуха и контроля промышленных выбросов, помогая эффективнее удалять вредные пары при меньшем потреблении драгоценного металла и энергии.

Цитирование: Li, R., Huang, Y., Zhu, D. et al. Unleashing the power of zero-valent platinum single atoms for enhancing low-temperature oxygen activation. Nat Commun 17, 3350 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70170-3

Ключевые слова: катализаторы с одиночными атомами, окисление толуола, активация кислорода, платина на оксиде кобальта, контроль загрязнения воздуха