Вычисление размеров активных фракций нанесенных нанокристаллов

Задача. Статья посвящена определению размеров активных фракций наночастиц. Частицы, размеры которых находятся за значениями расчетных предельных размеров, не проявляют активности. В частности, это показано на примере каталитической очистки окружающей среды, а именно, окисления окиси углерода, в комнатных условиях - низкой температуре, высокой влажности и наличии антропотоксинов. Эта статья обсуждает основные принципы катализаторов, используемых в борьбе с загрязнением окружающей среды, в частности, влияние размера нанокатализатора на каталитическую активность. Остается неясным, почему более крупные частицы палладия, а также истинные растворы не являются эффективными катализаторами низкотемпературного окисления монооксида углерода; и только палладийсодержащие наносистемы в узком диапазоне размеров являются эффективными катализаторами. Представленная работа является первым шагом в количественном определении этого диапазона. Это позволяет предположить, что данная работа поможет в определении причин необычно высокой эффективности нанокатализаторов.
Методы. Расчеты произведены с помощью пакета MS Office Professional 2013. Серия палладийсодержащих нанокатализаторов была приготовлена на активированных углеродных волокнах «Бусофит Карбопон-Актив» с активной поверхностью 1300 м$^2$/г; размеры наночастиц варьировались путем подбора режимов сушки после пропитки ионами Pd$^{2+}$. Начальную скорость реакции определяли по уменьшению концентрации пропущенного СО в воздухе.
Результаты. Предложена математическая модель, позволяющая определить пределы размеров наночастиц, в границах которых они проявляют особые свойства, присущие исключительно наноструктурам. Модель позволяет вычислить значения максимальных и минимальных радиусов активных фракций частиц, в частности, для каталитически активных нанокомпозитов, а также может быть использована для случаев наносистем с другими специфическими свойствами. Кроме того, метод позволяет найти ответ на один из двух важнейших вопросов современности касательно нанокристаллического состояния: есть ли некоторый критический размер частиц, ниже которого материалу присущи особые свойства нанокристаллов, а выше которых материал ведет себя как обычный массивный образец.
Выводы. Предложенный метод расчета впервые позволяет легко вычислить размеры наночастиц, в пределах которых они остаются активными. Это открывает новые возможности для повышения эффективности наносистем путем подбора условий синтеза с максимальным содержанием необходимых фракций.