Tajný život jednoatomových katalyzátorů
Obálka květnového čísla časopisu ACS Catalysis upozorňuje na společnou studii vědců z Katedry fyziky povrchů a plazmatu MFF UK a z italského Consiglio Nazionale delle Ricerche – Istituto Officina dei Materiali, která se zabývá dynamikou nanočástic drahých kovů v takzvaných jednoatomových katalyzátorech.
Drahé kovy představují účinné katalyzátory pro řadu technologicky a energeticky relevantních chemických reakcí. Protože katalytické reakce mohou zprostředkovat pouze povrchové atomy kovu, přistupuje se k přípravě katalyzátorů ve formě kovových nanočástic, které povrch vystavený reaktantům maximalizují. V poslední době se bouřlivě rozvíjí obor takzvaných jednoatomových katalyzátorů, ve kterých je vzácný kov dispergován na jednotlivé izolované atomy, takže katalytický účinek může potenciálně poskytnout každý atom vzácného kovu.
Zde končí jednoduchá část příběhu. Protože disperze na jednotlivé atomy je pro kovy energeticky nevýhodná, je potřeba poskytnout kovovým atomům vhodný substrát, na který budou dostatečně silně vázány. A protože jde o vazbu jednotlivých atomů, rozhoduje o síle vazby lokální atomární a chemická struktura povrchu. Jednoatomové katalyzátory reprezentují v důsledku toho velmi dynamické a svým způsobem i neuchopitelné systémy, které ochotně mění svou strukturu z katalyzátoru jednoatomového na katalyzátor obsahující kovové nanočástice a zpět například v přítomnosti různých reaktantů, mezi přípravou a použitím nebo dokonce mezi použitím a mikroskopickou charakterizací.
Ve vyzdvižené studii se vědcům poprvé podařilo identifikovat a parametrizovat ucelený soubor mechanismů na atomární úrovni, které o stabilitě a nestabilitě jednoatomových katalyzátorů rozhodují. Na základě tohoto souboru bylo nově možné změny ve struktuře jednoatomových katalyzátorů modelovat a získat vysvětlení řady již pozorovaných dynamických jevů. Důležitější pro praktické využití jsou však předpovědi modelu, které ukazují nové způsoby, kterými lze zlepšit kontrolu nad strukturou a dlouhodobou stabilitu jednoatomových katalyzátorů i katalyzátorů obsahujících kovové nanočástice.
Farnesi Camellone et al., ACS Catal. 2022, 12, 4859−4871, https://doi.org/10.1021/acscatal.2c00291
Na úvodním snímku experimentální ultravakuová aparatura pro studium vzorků metodami fyziky povrchů provozovaná v laboratořích KFPP MFF UK.
