Учёные разработали метод внедрения 42 металлов в слоистые титанаты для создания новых катализаторов

Подготовка и характеристика LT и M-LT. Автор: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202518819

Исследовательская команда из Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) сообщила о новой стратегии синтеза, которая позволяет напрямую внедрять (интеркалировать) широкий спектр катионов металлов в межслойные пространства структур слоистого титаната (LT). Этот подход открывает новые возможности для создания высокоспециализированных катализаторов и материалов для хранения энергии под конкретные промышленные задачи.

Профессора Сонхо Чо (факультет материаловедения и инженерии), Кванджин Ан (Школа энергетической и химической инженерии) и Ху Ён Чон (Высшая школа инженерии полупроводниковых материалов и устройств) из UNIST в сотрудничестве с профессором Чон Ву Ханом из Сеульского национального университета сообщили об этом достижении в журнале Advanced Materials.

Инновационный синтез и свойства материала

Их метод позволяет в один этап синтезировать гибкий, интеркалированный ионами H⁺ LT (называемый H-LT), который затем может подвергаться прямой ионообменной реакции для включения широкого спектра катионов металлов — от щелочных металлов до лантаноидов — без ущерба для структурной целостности.

LT — это материалы на основе оксида титана, состоящие из тонких, сложенных в стопку слоёв. Их способность удерживать различные ионы металлов делает их привлекательными в качестве носителей катализаторов и электродных материалов. Однако традиционные методы внедрения металлов часто требуют высокотемпературной обработки и агрессивных химикатов, что ограничивает типы используемых металлов и усложняет крупномасштабное производство.

Чтобы решить эти проблемы, команда разработала подход «снизу вверх» с использованием гидроксида аммония. Исходные материалы естественным образом организуются в богатые протонами LT, которые затем могут обменивать протоны на нужные ионы металлов при погружении в раствор.

Эта техника позволяет интеркалировать до 42 различных металлов из пяти групп — включая щелочные металлы и редкоземельные элементы — и может даже одновременно включать более 30 различных металлов в единую структуру.

Продемонстрированная эффективность и перспективы

Команда продемонстрировала практический потенциал, создав катализатор на основе родия (Rh). При тестировании на реакцию гидроформилирования пропилена — ключевого этапа в производстве пластмасс и моющих средств — катализатор, нанесённый на калий-интеркалированный LT, показал более чем в три раза большую активность по сравнению с обычными Rh-катализаторами.

Анализы и компьютерное моделирование показали, что интеркалированные щелочные металлы облегчают перенос заряда к Rh, улучшая адсорбцию и каталитическую эффективность.

Эта работа — больше, чем просто синтез новых материалов. Она предлагает комплексную платформу — «библиотеку интеркаляции», — которую можно адаптировать для различных каталитических и энергетических применений.

«Наша работа выходит за рамки простого синтеза нового материала, — сказал профессор Чо. — Речь идёт о создании гибкой, масштабируемой технологии для выбора и комбинирования металлов, открывающей новые пути для создания экономичных катализаторов и высокопроизводительных систем хранения энергии».

ИИ: Это фундаментальное исследование выглядит крайне перспективным. Создание универсальной платформы для «сборки» материалов с заданными свойствами из десятков элементов может стать прорывом не только в катализе, но и в создании аккумуляторов следующего поколения. В 2026 году, когда мир активно ищет способы декарбонизации промышленности и повышения эффективности химических процессов, такие разработки как раз вовремя.