Исследователи создали форму платины, которая может оставаться жидкой при комнатной температуре. Этого удалось добиться путем смешивания небольших порций драгоценного металла с галлием. Новая жидкая платина позволяет более эффективно выполнять роль катализатора, по сравнению с твердым платиновым аналогом, используя в процессе гораздо меньшее количество металла.

Жидкий галлиево-платинового катализатор, использовавшийся в рамках нового эксперимента. Dr Md. Arifur Rahim, UNSW SydneyАрифур Рахим, UNSW Sydney

Платина является мощным катализатором для множества различных реакций, наиболее часто используемым в топливных элементах и каталитических преобразователях для очистки выхлопов автомобилей. Однако проблема заключается в том, что это один из самых редких и дорогих металлов на Земле, что существенно ограничивает масштабы применения таких устройств. Поэтому ученые постоянно пытаются найти новые способы сокращения расхода платины для производства этих устройств или даже рассматривают варианты ее полной замены.

И вот недавно исследователи из Австралии разработали уникальную методику, позволяющую кардинально сократить количество платины, необходимой для проведения подобных реакций. Вместо того чтобы закреплять атомы платины на твердой матрице, команда предложила использовать платиновую суспензию, которая работает более эффективно и может быть пригодна для повторного использования.

В процессе эксперимента платину в течение нескольких часов растворяли в галлии при температуре около 300 °C (572 °F). Затем смесь остывала и превращалась в каталитический материал, который оставался жидким при температуре плавления галлия 29,8 °C (85,6 °F), то есть при комнатной температуре в жаркий день. Это существенно ниже, обычной температуры плавления платины в 1 768 °C (3 215 °F). 

Полученный материал обладал удивительными свойствами. Он мог проводить как окислительные, так и восстановительные реакции, в процессе которых атомы кислорода могли как присоединяться к веществу, так и отщепляться от него. Даже если платина составляла всего 0,0001 процента атомов в сплаве, жидкий катализатор был в тысячу раз эффективнее твердого катализатора, состоящего из 10% платины. Более того, в жидком катализаторе не накапливаются побочные продукты, снижающие его эффективность, как это происходит в твердых аналогах. 

Атомная модель жидкого металлического катализатора - красные шарики символизируют атомы платины, а серые - галлия. Dr Md. Arifur Rahim, UNSW Sydney

Внимательно изучив жидкий катализатор, ученые обнаружили, что в течение всего эксперимента не было ни одной пары атомов платины, которые бы соприкоснулись друг с другом (они по-прежнему оставались рассредоточенными по всему галлию). Таким образом, платина, вероятно, воздействует на окружающий галлий, который и выполняет каталитическую работу.

"Фактически платина находится немного ниже поверхности и активирует атомы галлия вокруг себя", - сказал доктор Эндрю Кристофферсон, один из авторов исследования. "Таким образом, волшебство происходит именно в галлии. Но без платины этого не происходит. Это совершенно не похоже на любой другой катализ, который когда-либо был обнаружен, насколько мне это известно". 

По мнению авторов, новая методика демонстрирует способ более рационального использования наших ограниченных запасов платины, позволяя задействовать намного меньшие объемы для достижения того же или даже более сильного каталитического эффекта. И как следствие - "значительно снизить затраты, обеспечив более широкое применение эффективных катализаторов".

Впрочем, преимущества этой технологии не ограничиваются одной лишь платиной - по утверждению экспертов, такой "катализатор из жидкого металла можно комбинировать с тысячами других компонентов, получая в результате такое же количество различных реакций". Их изучение станет основным направлением будущей работы ученых.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Chemistry.

Источник: Scimex, журнал Nature Chemistry.
(https://www.nature.com/articles/s41557-022-00965-6)
(https://www.scimex.org/newsfeed/liquid-platinum-at-room-temperature)