Атомное строение наночастиц PtCu в электрокатализаторах PtCu/С и магнитных центров азота в углеродных наноструктурах

ЦЕЛЬ: определить структуру биметаллических наночастиц PtCu в составе электрокатализаторов PtCu/C и структуру центров азота в углеродных наноструктурах, установить взаимосвязи между их атомным строением и функциональными характеристиками, для чего модифицировать методы анализа рентгеновских спектров поглощения и других высокочувствительных методов определения структур и их компьютерного моделирования. ОБЪЕКТЫ: биметаллические наночастицы PtCu в электрокатализаторах PtCu/C, полученные последовательным и многоступенчатым осаждением атомов на углеродный носитель, а также углеродсодержащие образцы, допированные азотом, полученные методом твердофазного пиролиза на основе фталоцианина и фталонитрила при различном давлении в газовой камере. МЕТОДЫ: спектроскопия рентгеновского поглощения, микроскопия, рентгеновская дифракция, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, моделирование и машинное обучение. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ: методом последовательного восстановления соединений Cu и Pt установлено образование биметаллических наночастиц PtCu и наночастиц аморфного оксида меди, архитектура которых соответствует структуре «ядро-оболочка»; термообработка исходного наноматериала приводит к разрушению границы раздела ядра и оболочки наночастицы PtCu при нагреве до 523 К, а при более высоких температурах наблюдается образование твёрдого раствора и упорядочение структуры сплава; согласование с экспериментом наблюдается для построенных атомных моделей наночастиц, включая воспроизведение сверхструктурных рефлексов; методы машинного обучения позволяют классифицировать архитектуры наноматериалов по парным радиальным функциям распределения атомов; классификатор k-ближайших соседей достигает максимальной точности в определении структуры наночастиц; подходом, позволившим определить атомную структуру различных состояний атомов азота в углеродном материале, является последовательное применение анализа N1s- РФЭС, выявляющего типы атомных связей азота, и прямых расчётов NK-XANES на их основе; спектральные особенности в высокоэнергетической области XANES формируются как результат суммы вкладов двух типов трёхатомных конфигураций и вклада четырехатомной конфигурации; особенности в области связанные со вкладами незанятых π-орбиталей, демонстрируют высокую чувствительность к условиям пиролиза; энергетическое разделение первых двух пиков в NK-XANES обеспечило устойчивость фиттинга экспериментальных спектров, что позволило определить длины и углы связей в 3-атомных и в 4-атомных конфигурациях, а также процентные соотношения этих структурных состояний азота в образцах, которые показали уменьшение доли пиридинового и увеличение пиррольного азота с увеличением давления в камере. В ПРАКТИКЕ: разработка электрокатализаторов PtCu/C для топливных элементов, оптимизация синтеза углеродных носителей, допированных азотом для расширения их применения.