Группа из почти 20 ученых из США и Китая — от Брукхейвенской национальной лаборатории до Университета Бингемтона — потратила 10 лет на исследование редкого поведения оксидов металлов. Согласно их работе, катализатор из оксида меди может сам себя «перезаряжать», поставляя кислород из своей кристаллической решетки и восстанавливая запас из внутренних слоев. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Речь идет о механизме Марса-ван Кревелена (MvK), когда кислород для реакции не поступает извне, а «вынимается» из структуры самого оксида. Впервые стало известно, что такая реакция происходит в виде цикла.
Когда верхний слой оксида отдает кислород, реакция замедляется: катализатор как будто делает паузу. За это время кислород из глубинных слоев медленно поднимается наверх и восстанавливает активную поверхность. Как только уровень восстанавливается, начинается новая фаза активности.
До сих пор работа катализаторов считалась «одноразовой». Когда ресурс кислорода истощался, производство приходилось останавливать. Открытие предлагает новый подход: вместо полной замены можно создать «самовосстанавливающиеся» катализаторы, которые будут работать дольше и надежнее.
Это особенно важно для энергетики и автопрома, где катализаторы используют для переработки выбросов и топлива.
Эксперимент проводили с помощью просвечивающего электронного микроскопа — устройство позволило следить за движением атомов в реальном времени с точностью до 30 кадров в секунду. Поверхность меди окисляли кислородом, а затем проводили реакции с водородом. В результате наблюдались реальные атомные колебания в структуре катализатора. Они впервые наглядно показали, как работает цикл восстановления.
Компьютерное моделирование помогло определить, сколько энергии требуется, чтобы запустить или остановить этот цикл, и подтвердило наблюдения с точностью.
Пока такой катализатор не может работать бесконечно — кислород в структуре все равно заканчивается. Но если обеспечить регулярную подпитку извне, например, контролируемо добавлять кислород, можно продлить срок службы без полной перезагрузки системы.
Следующая цель — научиться управлять колебаниями, чтобы сделать работу катализатора еще более стабильной.
Ранее мы писали о том, как устроен ядерный реактор.