Одиночные атомы циркония ускоряют очистку воздуха от загрязнений при низких температурах

Представьте платину как рабочего, очищающего воздух от токсичного угарного газа (CO). Одиночный атом циркония рядом действует как умный помощник, ослабляя связь кислорода, чтобы он мог присоединиться к процессу очистки. Кислород объединяется с платиной, превращая CO в безвредный CO2, после чего платина готова к новому циклу — это делает процесс быстрее и эффективнее даже при более низких температурах. Автор: Национальный университет Тайваня

Международная исследовательская группа из Университета штата Вашингтон, Университета Северной Дакоты, Национального университета Тайваня и других институтов обнаружила способ значительно усилить катализаторы на основе платины и церия с помощью крошечного, но мощного компонента — одиночных атомов циркония (Zr). Это открытие может сделать системы контроля загрязнения более энергоэффективными и экономичными, сократив потребность в драгоценных металлах.

Исследование команды, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что индивидуально расположенные атомы циркония действуют как «умные помощники» для платины. Вместо того чтобы быть основным реакционным центром, Zr тонко изменяет окружающую платину среду, облегчая активацию кислорода. Это относится как к молекулам кислорода из воздуха, так и к кислороду, хранящемуся в структуре самого катализатора. Активированный кислород критически важен для разложения вредных газов, таких как угарный газ, пропан и пропилен.

Используя современную спектроскопию рентгеновского поглощения в Национальном центре синхротронного излучения на Тайване, исследователи подтвердили, что атомы циркония остаются атомарно диспергированными и образуют уникальные структуры Zr–O–Pt.

Теоретическое моделирование показало, что эти структуры снижают энергетический барьер для активации кислорода более чем на 50%, значительно ускоряя окислительные реакции.

В тестах катализатор с добавлением циркония продемонстрировал разложение загрязняющих веществ при более низких температурах по сравнению с традиционными катализаторами. Это означает, что для начала очистки воздуха требуется меньше энергии — что критически важно для таких применений, как обработка автомобильных выхлопов, контроль промышленных выбросов и устойчивое химическое производство.

«Наше исследование демонстрирует, как атомарный дизайн может трансформировать каталитическую эффективность, предлагая новый путь к более чистым и устойчивым промышленным процессам», — говорит профессор Чжи-Цзюн Чен, ведущий автор исследования.

Дополнительная информация: Weixin Huang et al, Single-atom Zr promoter boosts oxygen activation on ceria-supported Pt catalysts, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62447-w

Источник: Национальный университет Тайваня