Исследованием руководили профессор Аризонского государственного университета Цзиньюэ Лю, Калифорнийского университета в Дэвисе профессор Брюс Гейтс и профессор Вашингтонского государственного университета Йонг Ван.

«Стабилизация драгоценных металлов, позволяющая каждому атому быть катализатором, — это святой Грааль в области катализа», — сказал Ван, регентский профессор Школы химической инженерии и биоинженерии Джина и Линды Войланд WSU и научный сотрудник Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. «Мы не только используем наименьшее количество металлов платиновой группы, но и делаем каждый атом гораздо более реактивным».

Катализаторы, ускоряющие химические реакции, играют ключевую роль в технологиях, используемых при производстве химикатов и топлива, а также для очистки от загрязняющих веществ, включая выхлопы автомобилей, грузовиков и электростанций, работающих на ископаемом топливе. Многие катализаторы содержат драгоценные металлы, такие как платина, родий и палладий, которые чрезвычайно дороги.

Исследователи в начале 1990-х начали исследовать, как изолировать атомы металлов в качестве катализаторов, но им не удалось стабилизировать их при высоких температурах, необходимых для каталитических преобразователей и других практических применений. Как только атомы металла оказываются в условиях, необходимых для реакций, они склонны слипаться.

Исследовательская группа решила проблему, рассеяв атомы металла в нанометровых островках оксида церия. Многочисленные островки лежат на коммерческом носителе из диоксида кремния , который широко используется во многих обычных каталитических реакциях, но атомы металла исключены из носителя. Обладая чрезвычайно большой площадью поверхности , диоксид кремния способен закреплять очень большое количество островков, удерживающих атомы металла, в небольшом объеме. Оксид церия прилипает к диоксиду кремния, как клей, и плотно удерживает отдельные атомы металла, так что они не блуждают, чтобы найти друг друга, слипнуться и стать неэффективными.

Исследователи обнаружили, что атомы металлов, ограниченные островками, стабильны в катализирующих реакциях как в окислительных, так и в восстановительных условиях. Окисление, при котором к веществу добавляется кислород, используется в технологии контроля выбросов для удаления вредного монооксида углерода и несгоревших углеводородов. Восстановление, при котором водород вступает в реакцию с другими молекулами, используется для многих промышленных применений , в том числе для производства топлива, удобрений и лекарств.

«Атомная точность производства новых катализаторов может открыть возможности для разработки катализаторов с беспрецедентной гибкостью в размещении целевого количества атомов на каждом островке», — сказал Гейтс. «Это позволяет нам исследовать реакционную способность и идентифицировать наиболее реактивные виды, чтобы выяснить, какие структуры и конфигурации наиболее эффективны».

Исследователи надеются продолжить изучение этого подхода для широкого круга каталитических приложений.

«Эта работа дает научному сообществу новый инструмент в наборе инструментов для понимания требований к каталитическим центрам для конкретных представляющих интерес реакций и для разработки новых высокоактивных и стабильных катализаторов», — сказал Лю. «Это открывает огромные возможности для каталитических технологий и приближает атомарно-дисперсные металлические катализаторы к практическому применению».