Катализаторы ускоряют химические реакции — процесс, который обычно занимает час, может сократиться до нескольких минут.

Недавно ученые обнаружили, что если воздействовать на одноатомные катализаторы (SACs) магнитным полем, можно резко увеличить их эффективность.

Например, в реакции выделения кислорода ток вырос на 2880%.

Результаты опубликованы в издани Nano Letters.

Исследователи из Университета Тохоку предложили новый подход: они использовали внешнее магнитное поле, чтобы изменить спиновые состояния атомов в катализаторе и тем самым улучшить его работу. Это открытие может помочь в создании более эффективных технологий для производства аммиака и очистки сточных вод.

Обычно при разработке катализаторов ученые меняют их состав или структуру. Но теперь появился еще один способ — управлять спинами электронов с помощью магнита. Это позволяет точнее контролировать, как промежуточные вещества прилипают к катализатору и отрываются от него. В результате реакция требует меньше энергии и идет быстрее.

Хао Ли из Института перспективных исследований материалов (WPI-AIMR) объясняет:

Более эффективные процессы снижают затраты, а значит, удобрения и очищенная вода могут стать дешевле.

В эксперименте магнитное поле переводило атомы рутения в высокоспиновое состояние, что улучшало поглощение нитратов. Теоретические расчеты подтвердили, почему это ускоряет реакцию. Катализатор Ru-N-C в магнитном поле показал впечатляющие результаты:

• скорость производства аммиака — 38 мг/л в час,
• эффективность использования тока — 95%,
• стабильная работа более 200 часов.

Без магнитного поля те же самые катализаторы работали гораздо хуже.

Это исследование не только углубляет понимание электрокатализа, но и открывает путь к созданию новых катализаторов. Возможно, скоро такие технологии выйдут из лабораторий и начнут применяться в промышленности.

Этот метод позволяет:

• Снизить энергозатраты — реакции идут быстрее, значит, нужно меньше электричества.
• Уменьшить стоимость производства аммиака (основы удобрений) и очистки воды.
• Создать более долговечные катализаторы — 200 часов стабильной работы это серьезный результат.

Магнитное поле — дешевый и доступный инструмент, в отличие от дорогих модификаций катализаторов. Если технологию масштабируют, она может изменить химическую промышленность.

Пока неясно, насколько метод экономически выгоден в реальных условиях. Лабораторные эксперименты используют идеализированные системы, а в промышленности могут мешать примеси, перепады температуры и другие факторы.

Ранее ученые предложили сжимать атомы, чтобы получать из них наномагниты. Хотя было бы неплохо и сок выжать.