Ученые создали полимерную платформу для стабильных одноатомных катализаторов

Международная группа исследователей разработала инновационный подход к созданию стабильных одноатомных катализаторов — ключевых элементов для более эффективных и экологичных химических процессов будущего.

Открытая и недоскоординированная среда обеспечивает усиленное связывание молекул газа, что иллюстрирует потенциал для повышения реакционной способности в каталитических приложениях. Автор: Kinikar et al., Nature Communications

Катализаторы лежат в основе современной промышленности, от металлургии до производства лекарств. Одноатомные катализаторы, где каждый атом металла выступает активным центром, считаются перспективным направлением, но их создание сопряжено с трудностями: атомы стремятся слипаться в кластеры, особенно при повышенных температурах, и их сложно точно расположить в нужной химической среде.

Ученые из Института структуры вещества Национального исследовательского совета Италии (CNR-ISM), Окинавского института науки и технологий (OIST, Япония), швейцарской исследовательской лаборатории Empa и Университета Рима Тор Вергата предложили решение. Используя методы синтеза на поверхности и сканирующей зондовой микроскопии атомарного разрешения, они создали одномерные органические полимеры, способные избирательно связывать атомы металлов в четко определенных координационных центрах.

«Чтобы достичь максимальной каталитической эффективности, мы должны обеспечить доступ реагентов к каждому атому катализатора — это невозможно в объемных материалах или кластерах, где внутренние атомы скрыты. Но природа делает это превосходно, демонстрируя в ферментах extraordinary эффективность и селективность на основе одиночных атомов металла», — объясняет ведущий автор работы доктор Марко Ди Джованнантио.

Это первый случай создания подобной полимерной архитектуры с периодическими боковыми ответвлениями, которые обеспечивают настраиваемые активные сайты. Платформа демонстрирует высокую стабильность даже при температурах выше комнатной.

Теоретическое моделирование показало, что уникальная структура этих платформ обеспечивает значительно более сильное связывание таких газов, как CO, O₂ и H₂, по сравнению с другими исследуемыми структурами. Это открывает путь к лучшему пониманию и управлению важными промышленными реакциями, например, превращением CO₂ в ценные продукты.

«Эта работа не только представляет новую стратегию создания одноатомных катализаторов с атомарно определенными реакционными центрами, но и закладывает основу для рационального дизайна металлоорганических наноматериалов для различных будущих применений», — говорит профессор Акимицу Нарита, руководитель подразделения органических и углеродных наноматериалов OIST.

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как наноинженерия позволяет имитировать и даже превзойти эффективность природных систем, таких как ферменты. Внедрение таких катализаторов может стать прорывом для «зеленой» химии, снижая энергозатраты и количество отходов в ключевых промышленных процессах.

Больше информации: On-surface synthesis of tailored organic platforms for single metal atoms, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-66171-3