Японские исследователи провели компьютерное моделирование, подсказавшее, что ультратонкие плёнки неорганических оксидов могут стать ядром каталитических систем ближайшего будущего. Как оказалось, небольшое количество примесных атомов способно резко снизить энергетический барьер реакции расщепления воды.

Специалисты Института физико-химических исследований RIKEN (Япония) обнаружили, что кристаллы серебра, покрытые тонкими плёнками оксида магния (MgO), способны расщеплять отдельные молекулы воды на протон и гидроксид-ион под действием множественного вибрационного возбуждения (например, при нагревании в результате действия таких источников энергии, как ИК или ультразвук; сама по себе плёнка оксида магния с водой не взаимодействует).

Изолирующий слой MgO препятствует прямому взаимодействию между абсорбированными молекулами воды и серебряным субстратом ровно настолько, чтобы не препятствовать активации специфических путей распада водяной молекулы.

Изменение толщины оксидной плёнки позволяет в некотором роде контролировать скорость протекания каталитического процесса. Хотя и довольно однобоко (чем толще, тем медленнее).

Поэтому учёные решили найти более тонкий способ, позволяющий шире контролировать характеристики каталитического процесса расщепления воды на поверхности MgO/Ag. В качестве варианта было предложено допирование серебра атомами переходных металлов. По словам исследователей,

d-электроны переходных металлов, таких как титан, железо или медь, способны оказать предсказуемое влияние на каталитические и магнитные свойства оксидных материалов.

Рис. 1. Слева направо: двухатомный слой MgO на поверхности допированного переходным металлом (синий) серебра; молекула воды адсорбируется на поверхности, а затем расщепляется на протон и гидроксид. (Иллюстрация ACS).

Для изучения этой концепции были проведены квантовомеханические расчёты, позволившие построить модель двухатомного слоя MgO на поверхности регулярного кристалла серебра Ag(100). При замене в полученной теоретической модели некоторых атомов серебра на атомы допантов атомы кислорода вытягивали атомы переходного металла к самой поверхности между серебром и оксидом магния. Систематически меняя один переходный металл на другой со всё бόльшим количеством d-электронов, учёные обнаружили, что

появляется возможность использовать наблюдаемый эффект притягивания для установления точного контроля над концентрацией допанта в поверхностном слое.

Дальнейшие расчёты показали, что гибридизация между d-электронами переходных металлов и ультратонким оксидом создаёт эффект, который значительно увеличивает адгезию между слоем MgO и серебром. В свою очередь, поверхности с более высокой адгезией между оксидной плёнкой и серебром обладают куда повышенной каталитической активностью в реакции расщепления воды. Более того,

наличие установленной линейной корреляции между числом d-электронов допанта и химической реактивностью катализатора позволяет надеяться, что данный подход позволит провести успешный интерфейсный инжиниринг и в других каталитических процессах.

Отчёт об исследовании опубликован в Journal of the American Chemical Society.