Взаимодействие наночастиц золота и никеля с молекулярным водородом и монооксидом углерода в присутствии электрического поля

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

На поверхности пиролитического графита синтезировано наноструктурированное золото-никелевое покрытие. Его физико-химические свойства исследовались методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии, Оже-спектроскопии, масс-спектрометрии и другими методиками. Установлено, что покрытие состоит из скоплений, образованных золотыми и никелевыми наночастицами. Показано, что электрическое поле может ингибировать или стимулировать адсорбцию водорода на золоте, восстановление окисленной поверхности наночастиц никеля монооксидом углерода. При этом механизмы воздействия поля на химические процессы с участием Н2 и СО различны. Квантово-химическое моделирование позволило установить значения энергетических барьеров при адсорбции СО на наночастицах никеля.

Об авторах

М. В. Гришин

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук

Email: mvgrishin68@yandex.ru
Россия, 119334, Москва, ул. Косыгина, д. 4

А. К. Гатин

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук

Email: mvgrishin68@yandex.ru
Россия, 119334, Москва, ул. Косыгина, д. 4

Е. К. Голубев

Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова Российской
академии наук

Email: mvgrishin68@yandex.ru
Россия, 117393, Москва, ул. Профсоюзная, д. 70

Н. В. Дохликова

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук

Email: mvgrishin68@yandex.ru
Россия, 119334, Москва, ул. Косыгина, д. 4

С. А. Озерин

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук

Email: mvgrishin68@yandex.ru
Россия, 119334, Москва, ул. Косыгина, д. 4

С. Ю. Сарвадий

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук

Email: mvgrishin68@yandex.ru
Россия, 119334, Москва, ул. Косыгина, д. 4

И. Г. Степанов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук

Email: mvgrishin68@yandex.ru
Россия, 119334, Москва, ул. Косыгина, д. 4

В. Г. Слуцкий

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук

Email: mvgrishin68@yandex.ru
Россия, 119334, Москва, ул. Косыгина, д. 4

В. А. Харитонов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук

Email: mvgrishin68@yandex.ru
Россия, 119334, Москва, ул. Косыгина, д. 4

Б. Р. Шуб

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: mvgrishin68@yandex.ru
Россия, 119334, Москва, ул. Косыгина, д. 4

Список литературы

  1. Roldan Cuenya B. Synthesis and catalytic properties of metal nanoparticles: size, shape, support, composition, and oxidation state effects // Thin Solid Films. 2010. V. 518. № 12. P. 3127. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.01.018
  2. Gerasimov G.N., Ikim M.I., Gromov V.F., Ilegbusi O.J., Trakhtenberg L.I. Chemical modification of impregnated SnO2–In2O3 nanocomposites due to interaction of sensor components // Journal of Alloys and Compounds. 2021. V. 883. P. 160817. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160817
  3. Wang X., Tang F., Qi X., Lin Z., Battocchi D., Chen X. Enhanced protective coatings based on nanopartic-le fullerene C60 for oil & gas pipeline corrosion mitigation // Nanomaterials. 2019. V. 9. № 10. P. 1476. https://doi.org/10.3390/nano9101476
  4. Chopani S.M.H., Asadi S., Heravi M.M. Application of bimetallic and trimetallic nanoparticles supported on graphene as novel heterogeneous catalysts in the reduction of nitroarenes, homo-coupling, Suzuki-Miyaura and Sonogashira reactions // Current Organic Chemistry. 2020. V. 24. № 19. P. 2216. https://doi.org/10.2174/1385272824999200914111559
  5. Keane M.A., Gomez-Quero S., Cardenas-Lizana F., Shen W. Alumina-supported Ni–Au: surface synergistic effects in catalytic hydrodechlorination // ChemCatChem. 2009. V. 1. № 2. P. 270. https://doi.org/10.1002/cctc.200900070
  6. Yuan G., Louis C., Delannoy L., Keane M.A. Silica- and titania-supported Ni–Au: application in catalytic hydrodechlorination // J. Catal. 2007. V. 247. № 2. P. 256. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2007.02.008
  7. Wu Z., Zhao Z., Zhang M. Synthesis by replacement reaction and application of TiO2-supported Au–Ni bimetallic catalyst // ChemCatChem. 2010. V. 2. № 12. P. 1606. https://doi.org/10.1002/cctc.201000165
  8. Cardenas-Lizana F., Gomez-Quero S., Jacobs G., Ji Y., Davis B.H., Kiwi-Minsker L., Keane M.A. Alumina supported Au–Ni: surface synergism in the gas phase hydrogenation of nitro-compounds // J. Phys. Chem. C. 2012. V. 116. № 20. P. 11166. https://doi.org/10.1021/jp3025528
  9. Cardenas-Lizana F., Keane M.A. Gas phase selective hydrogenation over oxide supported Ni–Au // Phys. Chem. Chem. Phys. 2015. V. 17. № 42. P. 28088. https://doi.org/10.1039/c5cp00282f
  10. Wei H., Wei X., Yang X., Yin G., Wang A., Liu X., Huang Y., Zhang T. Supported Au−Ni nano-alloy catalysts for the chemoselective hydrogenation of nitroarenes // Chinese Journal of Catalysis. 2015. V. 36. № 2. P. 160. https://doi.org/10.1016/S1872-2067(14)60254-0
  11. Nikolaev S.A., Smirnov V.V. Synergistic and size effects in selective hydrogenation of alkynes on gold nanocomposites // Catal. Today. 2009. V. 147. P. S336. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2009.07.032
  12. Aguilar-Tapia A., Delannoy L., Louis C., Han C.W., Ortalan V., Zanella R. Selective hydrogenation of 1,3-butadiene over bimetallic Au–Ni/TiO2 catalysts prepared by deposition-precipitation with urea // J. Catal. 2016. V. 344. P. 515. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2016.10.025
  13. Chai M., Liu X., Li L., Pei G., Ren Y., Su Y., Cheng H., Wang A., Zhang T. SiO2-supported Au–Ni bimetallic catalyst for the selective hydrogenation of acetylene // Chin. J. Catal. 2017. V. 38. № 8. P. 1338. https://doi.org/10.1016/S1872-2067(17)62869-9
  14. Ruppert A.M., Jedrzejczyk M., Potrzebowska N., Kazmierczak K., Brzezinska M., Sneka-Platek O., Sautet P., Keller N., Michel C., Grams J. Supported gold–nickel nano-alloy as a highly efficient catalyst in levulinic acid hydrogenation with formic acid as an internal hydrogen source // Catal. Sci. Technol. 2018. V. 8. № 17. P. 4318. https://doi.org/10.1039/C8CY00462E
  15. Wang F., Zhang J.-C., Li W.-Z., Chen B.-H. Coke-resistant Au–Ni/MgAl2O4 catalyst for direct methanation of syngas // J. Energy Chem. 2019. V. 39. P. 198. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.03.028
  16. Chin Y.-H., King D.L., Roh H.-S., Wang Y., Heald S.M. Structure and reactivity investigations on supported bimetallic Au−Ni catalysts used for hydrocarbon steam reforming // J. Catal. 2006. V. 244. Iss. 2. P. 153. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2006.08.016
  17. Molenbroek A.M., Nørskov J.K., Clausen B.S. Structure and Reactivity of Ni−Au Nanoparticle Catalysts // J. Phys. Chem. B. 2001. V. 105. № 23. P. 5450. https://doi.org/10.1021/jp0043975
  18. Grishin M.V., Gatin A.K., Dokhlikova N.V., Kirsankin A.A., Kulak A.I., Nikolaev S.A., Shub B.R. Adsorption and interaction of hydrogen and oxygen on the surface of separate crystalline gold nanoparticles // Kinetics and Catalysis. 2015. V. 56. № 4. P. 532. https://doi.org/10.1134/S0023158415040084
  19. Grishin M.V., Gatin A.K., Sarvadii S.Y., Shub B.R. Study of adsorption and interaction of H2, O2, and CO on the surface of single gold nanoparticles and nickel by scanning tunneling microscopy // Nanotechnologies in Russia. 2017. V 12. № 11–12. P. 589. https://doi.org/10.1134/S1995078017060040
  20. Gatin A.K., Grishin M.V., Sarvadii S.Y., Shub B.R. Interaction of gaseous reagents on gold and nickel nanoparticles // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2018. V. 12. № 2. P. 317. https://doi.org/10.1134/S1990793118020069
  21. Aragonès A.C., Haworth N.L., Darwish N., Ciampi S., Bloomfield N.J., Wallace G.G., Diez-Perez I., Coote M.L. Electrostatic catalysis of a Diels–Alder reaction // Nature. 2016. V. 531. P. 88. https://doi.org/10.1038/nature16989
  22. Martín L., Molins E., Vallribera A. Tuning and enhancement of the Mizoroki–Heck reaction using polarized Pd nanocomposite carbon aerogels // New J. Chem. 2016. V. 40. Iss. 12. P. 10208. https://doi.org/10.1039/C6NJ02279K
  23. Sarvadiy S.Y., Gatin A.K., Grishin M.V., Kharitonov V.A., Kolchenko N.N., Dokhlikova N.V., Shub B.R. Electric field–prevented adsorption of hydrogen on supported gold nanoparticles // Gold Bulletin. 2019. V. 52. № 2. P. 61. https://doi.org/10.1007/s13404-019-00253-1
  24. Sarvadii S.Y., Gatin A.K., Kharitonov V.A., Dokhlikova N.V., Ozerin S.A., Grishin M.V., Shub B.R. Effect of CO molecule orientation on the reduction of Cu-based nanoparticles // Nanomaterials. 2021. V. 11. № 2. 279. https://doi.org/10.3390/nano11020279
  25. Binnig G., Rohrer H., Berber C., Weibel E. Tunneling through a controllable vacuum gap // Appl. Phys. Lett. 1982. V. 40. № 2. P. 178. https://doi.org/10.1063/1.92999
  26. Meyer E., Hug H.J., Bennewitz R. Scanning Probe Microscopy. Berlin: Springer, 2004.
  27. Hamers R.J., Wang Y.J. Atomically-resolved studies of the chemistry and bonding at silicon surfaces // Chemical Reviews. 1996. V. 96. № 4. P. 1261. https://doi.org/10.1021/cr950213k
  28. Hamers R.J., Tromp R.M., Demuth J.E. Surface electronic structure of Si (111)–(7 × 7) resolved in real space // Phys. Rev. Let. 1986. V. 56. № 8. P. 1972. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.56.1972
  29. Schintke S., Messerli S., Pivetta M., Patthey F., Libioulle L., Stengel M., De Vita A., Schneider W.-D. Insulator at the ultrathin limit: MgO on Ag(001) // Phys. Rev. Let. 2002. V. 87. № 27. P. 276801. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.276801
  30. Kovalevskii S., Dalidchik F., Grishin M., Kolchenko N., Shub B. Scanning tunneling spectroscopy of vibrational transitions // Appl. Phys. A. 1998. V. 66. P. S125. https://doi.org/10.1007/s003390051114
  31. Irwin M.D., Buchholz D.B., Hains A.W., Chang R.P.H., Marks T.J. p -Type semiconducting nickel oxide as an efficiency-enhancing anode interfacial layer in polymer bulk-heterojunction solar cells // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. V. 105. № 8. P. 2783. https://doi.org/10.1073/pnas.0711990105
  32. Divi S., Chatterjee A. Generalized nano-thermodynamic model for capturing size-dependent surface segregation in multi-metal alloy nanoparticles // RSC Advances. 2018. V. 8. P. 10409. https://doi.org/10.1039/C8RA00945G
  33. Dey S., Mehta N.S. Oxidation of carbon monoxide over various nickel oxide catalysts in different conditions: a review // Chemical Engineering Journal Advances. 2020. V. 1. 100008. https://doi.org/10.1016/j.ceja.2020.100008
  34. Grishin M.V., Gatin A.K., Kharitonov V.A., Ozerin S.A., Sarvadii S.Yu., Shub B.R. Interaction of gases with single clusters of gold and copper-based nanoparticles in the presence of electric fields // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2022. V. 16. № 2. P. 211. https://doi.org/10.1134/S199079312232001X
  35. Vesecky S.M., Xu X., Goodman D.W. Infrared study of CO on NiO(100) // Journal of Vacuum Science & Technology A. 1994. V. 12. № 4. P. 2114. https://doi.org/10.1116/1.579146
  36. Giannozzi P., Andreussi O., Brumme T., Bunau O., Buongiorno Nardelli M., Calandra M., Car R., Cavazzoni C., Ceresoli D., Cococcioni M., Colonna N., Carnimeo I., Dal Corso A., de Gironcoli S., Delu-gas P., DiStasio Jr. R.A., Ferretti A., Floris A., Fratesi G., Fugallo G., Gebauer R., Gerstmann U., Giustino F., Gorni T., Jia J., Kawamura M., Ko H.-Y., Kokalj A., Küçükbenli E., Lazzeri M., Marsili M., Marzari N., Mauri F., Nguyen N.L., Nguyen H.-V., Otero-de-la-Roza A., Paulatto L., Poncé S., Rocca D., Sabatini R., Santra B., Schlipf M., Seitsonen A.P., Smogunov A., Timrov I., Thonhauser T., Umari P., Vast N., Wu X., Baroni S. Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO // J. Phys. Condens. Matter. 2009. V. 21. P. 395502. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8f79
  37. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. №. 18. P. 3865.
  38. Perdew J., Ruzsinsky A., Csonka G.I., Vydrov O.A., Scuseria G.E., Constantin L.A., Zhou X., Burke K. Restoring the density-gradient expansion for exchange in solids and surfaces // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 100. № 13. P. 136406. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.136406
  39. Vanderbilt D. Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism // Phys. Rev. B. 1990. V. 41. № 11. P. 7892. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.7892

Дополнительные файлы


© М.В. Гришин, А.К. Гатин, Е.К. Голубев, Н.В. Дохликова, С.А. Озерин, С.Ю. Сарвадий, И.Г. Степанов, В.Г. Слуцкий, В.А. Харитонов, Б.Р. Шуб, 2023