Учёные из Университета Тохоку предложили метод спиновой регуляции гетерогенных катализаторов

Исследователи из Института передовых исследований материалов (WPI-AIMR) Университета Тохоку представили дорожную карту по повышению эффективности гетерогенных катализаторов с помощью концепции явной спиновой регуляции, сообщает tohoku.ac.jp tohoku.ac.jptohoku.ac.jptohoku.ac.jpОткрыть источник ↗. Обзорная статья опубликована в журнале Accounts of Materials Research и посвящена управлению квантовыми свойствами электронов в реакциях синтеза топлив и химических соединений.

Классические способы настройки катализаторов меняют их химический состав, атомную структуру или окружающую среду. Применение внешних магнитных полей также демонстрирует влияние на реакции, однако исследователям сложно отделить квантовый вклад спина от вторичных эффектов — локального нагрева или конвективного переноса массы tohoku.ac.jptohoku.ac.jptohoku.ac.jpОткрыть источник ↗. Концепция явной спиновой регуляции направлена на управление спиновыми состояниями строго в активных центрах катализатора, где протекает реакция.

Способы управления спином

Авторы выделили два пути изменения спина на каталитических центрах: легирование вещества специальными добавками либо приложение магнитных полей и использование магнитных компонентов во время реакции tohoku.ac.jptohoku.ac.jptohoku.ac.jpОткрыть источник ↗. На примере кобальтовых катализаторов синтеза аммиака ранее было показано, что специализированные модификаторы облегчают разрыв стабильных связей в молекуле азота.

Исследователи проанализировали массив из 249 научных работ по электрокатализу, вышедших в период с 2022 по 2026 год tohoku.ac.jptohoku.ac.jptohoku.ac.jpОткрыть источник ↗. В 53% этих публикаций изменение спина электронов или связанных электронных характеристик указывалось авторами в качестве главной причины улучшения свойств катализатора tohoku.ac.jptohoku.ac.jptohoku.ac.jpОткрыть источник ↗.

Компьютерный скрининг и валидация

Авторы подчеркивают необходимость дополнительных прямых доказательств влияния спиновых эффектов на каждом элементарном этапе превращений tohoku.ac.jptohoku.ac.jptohoku.ac.jpОткрыть источник ↗. Для подтверждения требуются измерения отклика спина на структурные изменения в активных зонах каталитических материалов.

Ранее с использованием квантовохимических расчетов исследователям удалось отобрать 40 перспективных катализаторов на основе пар металлических атомов для реакций с участием кислорода tohoku.ac.jptohoku.ac.jptohoku.ac.jpОткрыть источник ↗. Дальнейшее сопоставление спиновых характеристик с экспериментальными данными призвано ускорить отбор перспективных соединений до проведения тестов в лаборатории.