Квантовая механика раскрыла секрет эффективности железного катализатора

a) Элементарная ячейка MOF MIL-101(Fe). b) Вид сверху на неорганический узел вторичной строительной единицы (SBU). c) Полная кластерная модель для MIL-101(Fe). Автор: Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202514014

Исследовательская группа из Венского университета с помощью квантово-механических расчетов расшифровала механизм действия железосодержащего катализатора. Ученые показали, что явление квантовой суперпозиции стабилизирует катализатор и делает его более эффективным. Исследование опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition.

Синтез аммиака из азота и водорода — ключевой химический процесс, используемый в производстве удобрений, на который приходится около 2% мирового потребления энергии. Поиск новых, более эффективных катализаторов для производства аммиака важен для снижения глобальных выбросов CO₂.

Один из перспективных кандидатов — MIL-101(Fe), металло-органический каркас (MOF), в котором три атома железа расположены в форме треугольника вокруг центрального атома кислорода. До сих пор предполагалось, что спины трех атомов железа выровнены параллельно друг другу. Команда под руководством Летисии Гонсалес и Георга Крессе показала, что спины идеально выровнены антипараллельно друг другу.

Однако поскольку каждый атом железа имеет двух соседей, это условие не может быть выполнено для всех трех одновременно. Физики называют это спиново-фрустрированным состоянием.

«Можно представить это как трех человек, пытающихся сесть за круглый стол, каждый из которых хочет сидеть прямо напротив кого-то другого. Это невозможно для всех троих одновременно, что приводит к фрустрации одного из них», — объясняет Патрик Лечнер, первый автор исследования.

В квантовой механике такие состояния могут быть описаны «удовлетворительно для всех сторон» с помощью суперпозиции: все возможные конфигурации сосуществуют одновременно. Этот принцип напоминает знаменитый мысленный эксперимент Шрёдингера с котом, который одновременно жив и мертв.

«Эта магнитная фрустрация, которую можно объяснить только через суперпозицию различных квантовых состояний, стабилизирует структуру катализатора и обеспечивает особенно эффективное взаимодействие с малыми газовыми молекулами, такими как N₂ и CO — что и объясняет его каталитическую активность», — поясняет Гонсалес.

Исследование этих треугольных железных кластеров в долгосрочной перспективе может помочь повысить эффективность таких катализаторов и проложить путь к более устойчивому производству аммиака.

Больше информации: Patrick Lechner et al, Spin Frustration Determines the Stability and Reactivity of Metal–Organic Frameworks with Triangular Iron(III)–Oxo Clusters, Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202514014