Поиски катализаторов химических реакций — один из классических примеров эмпирической науки, когда для получения ответа приходится действовать перебором вариантов или, как шутят ученые, «методом научного тыка». Очень похожие по свойствам вещества могут давать совершенно разную каталитическую активность. И пока ученым приходилось лишь измерять её. Но если научиться предсказывать способность вещества катализировать ту или иную реакцию, это выведет поиски катализаторов на принципиально другой уровень: во-первых, избавит ученых от тысяч пустых экспериментов; во-вторых, позволит найти ещё более эффективные катализаторы для уже реализуемых в промышленности реакций. И то, и другое достижение в каждом случае может привести к многомиллиардным прибылям и даже к революции в химической промышленности, сравнимой с изобретением синтетического каучука или полиэтилена низкого давления.
Своих более эффективных катализаторов «ждут» тысячи химических процессов. Особенно это касается нефтехимии (переработка тяжелых фракций нефти) и химического синтеза. Большая часть всех проводимых в промышленных масштабах химических реакций — каталитические. Поэтому поиском более совершенных катализаторов занимаются научные группы по всему миру.
С появлением нанотехнологий список возможных катализаторов увеличился на порядки. Зато химики выделили несколько новых разновидностей веществ, которые склонны проявлять отличные каталитические свойства. Одна из них — наночастицы драгоценных металлов (например, золота или платины). Правда, в зависимости от размера частиц их каталитические свойства меняются. И чтобы не заниматься опять перебором миллионов пар «возможный катализатор — реакция», команда ученых из лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС» и Университета Линчёпинга (Швеция) под руководством одного из ведущих мировых учёных профессора Игоря Абрикосова взялась вычислить эту зависимость при помощи суперкомпьютерного кластера, установленного в НИТУ «МИСиС» в рамках мегагранта Правительства РФ.
«Существует гипотеза, что изменение электронных уровней в атомах катализатора коррелирует с его каталитической активностью, — рассказывает соавтор статьи, сотрудник лаборатории „Моделирование и разработка новых материалов“ НИТУ „МИСиС“ Алексей Таль. — Это означает, что вместо дорогой серии из нескольких сотен или тысяч экспериментов по проверке каталитической активности предполагаемых катализаторов достаточно просто провести анализ рентгеновских спектров».
Гипотеза основана на опубликованной в журнале Science работе, в которой намеки на нечто подобное продемонстрировали в экспериментах с палладием ученые из университета Юты (Солт-Лейк-Сити, США).
«Мы изучали конфигурацию энергетических электронных уровней в атомах золота, собранных в одни из самых компактных и структурированных наночастиц — нанокластеры, — продолжает ученый. — Их выделяют в отдельную группу, потому что у нанокластеров точно известно количество атомов, из которых они состоят, а также структура (например, они могут собраться в додекаэдр или икосаэдр). Поэтому изменения в структуре электронных уровней, которые происходят в момент взаимодействия нанокластера внешними атомами, можно четко рассчитать».
Алексей Таль подчеркнул, что в каталитических реакциях участвуют только поверхностные атомы катализатора, а нанокластер весь состоит из поверхностных и приповерхностных (влияющих на конфигурацию поверхностных) атомов. Поэтому с данной точки зрения это также оптимальная модель для расчетов.
Как отметил ученый, изменения касаются всех уровней в атоме, на которых находятся электроны, однако исследователи взяли для обсчитывания только один, потому что изменения именно в этом уровне, происходящие при формировании нанокластера из отдельных атомов, наиболее заметны.
Теперь, когда изменения электронных уровней в нанокластерах вычислены, ученым НИТУ «МИСиС» предстоит сделать следующий шаг. Ученые собираются вычислить энергию поглощения для тех же кластеров, которая и служит мерилом каталитической активности, и составить прогностическую таблицу, по которой можно будет вычислять способность к катализу для любых наночастиц по измеренным изменениям в электронных уровнях.
«Для некоторых систем такие расчеты уже проводились, однако такой системный подход, который позволяет однозначную установить зависимость между изменениями в электронных уровнях и каталитической активностью, пока никто не использовал», — отметил ученый.
Работа опубликована в журнале PHYSICAL REVIEW B.
