Ученые придумали, как заставить атомы металлов занимать нужные позиции с помощью аргоновой плазмы. Этот метод гарантирует, что ни один атом не пропадет зря, а драгоценные и редкие металлы будут использоваться с максимальной эффективностью.

В исследовании, опубликованном в издании Advanced Science, команда из Ноттингемского и Бирмингемского университетов, Diamond Light Source и EPSRC SuperSTEM показала, как с помощью быстрых ионов аргона создавать дефекты на углеродных поверхностях.

Эти дефекты работают как ловушки для атомов металлов, заставляя их собираться в ультратонкие однослойные кластеры — крошечные двумерные островки размером меньше нанометра.

Промышленность активно использует металлы в катализе, но многие из них — редкие и дорогие.

Чтобы технологии будущего, такие как производство водорода, не упирались в дефицит ресурсов, нужно научиться расходовать каждый атом без потерь.

Катализ — процесс, в котором небольшое количество вещества (катализатора) ускоряет химическую реакцию, не расходуясь при этом. Например, в автомобильных катализаторах платина помогает превращать вредные выхлопы в безопасные газы.

Каждый атом на счету, — говорит доктор Эмерсон Колрауш, ведущий экспериментатор исследования. — Редкие металлы критически важны для чистой энергетики и промышленного катализа, но их запасы ограничены. Наш метод позволяет использовать их с максимальной эффективностью.

В отличие от традиционных подходов, где для каждого элемента нужны особые условия, новый метод использует универсальные «ловушки» — дефекты на углеродной поверхности, созданные бомбардировкой ионами аргона.

Эти дефекты прочно удерживают атомы металлов, не давая им слипаться в менее эффективные трехмерные наночастицы.

Метод сработал для 21 элемента, включая капризные серебро и золото.

Это решение для всех случаев, — объясняет профессор Андрей Хлобыстов. — Мы можем создавать одно-, двух- и даже трехкомпонентные слои, где каждый атом стоит именно там, где нужно. Такой уровень контроля — настоящий прорыв.

Доктор Садег Гхадерзаде, отвечавший за теоретическое моделирование, подчеркивает простоту подхода:

Вместо сложных химических реакций мы используем физическое перемещение атомов. Это уменьшает количество переменных, и мы можем точно воспроизвести процесс в компьютерных симуляциях.

Главная сложность — в контроле.

Мы создаем крайне нестабильные, реакционноспособные участки поверхности и выпускаем атомы металлов в строго контролируемых условиях. Малейшая ошибка — и все пойдет не так. Но если все сделать правильно, атомы закрепляются намертво. Это как поймать молнию в бутылку, только в наномасштабе, — говорит Колрауш.

Однослойные металлические кластеры (SLMCs) можно применять в производстве водорода, синтезе аммиака, преобразовании CO₂ и хранении энергии.

Ученые добились рекордной плотности — до 4,3 атома на нм² — и доказали, что структура остается стабильной в каталитических средах и на воздухе более 16 месяцев.

Мы приближаемся к созданию двумерных металлических катализаторов на любой поверхности, — говорит руководитель проекта доктор Жезум Алвеш Фернандес. — Наша цель — материалы, где каждый атом работает, и ничего не пропадает впустую. Только так можно сделать катализ по-настоящему экологичным.

Этот метод может преобразить промышленный катализ. Сегодня многие процессы требуют огромного количества редких металлов — платины, палладия, родия. Если научиться использовать их с атомарной точностью, можно:

• Снизить стоимость водородных топливных элементов и зеленых технологий.
• Уменьшить зависимость от добычи редких металлов, которая часто связана с экологическим ущербом.
• Создать более эффективные катализаторы для химической промышленности, где сейчас до 90% атомов могут просто «болтаться» без дела.

Особенно перспективно применение в:

• Производстве водорода — если катализаторы станут дешевле, зеленая энергетика получит мощный толчок.
• Переработке CO₂ — можно будет эффективнее превращать углекислый газ в полезные вещества.

Пока неясно, насколько метод масштабируем. В лаборатории все работает идеально, но промышленные условия — другие. Например:

• Скорость производства — если создание однослойных кластеров окажется слишком медленным, бизнес не заинтересуется.
• Долговечность — 16 месяцев стабильности звучит хорошо, но в реальных каталитических процессах материалы работают в агрессивных средах годами.

Ранее казанские ученые разработали модель, которая помогает создавать наноалмазы в плазме.