Комбинация USPEX/DFT-подхода и РФА для идентификации стабильных фаз Pd–Fe | Вестник Томского государственного университета. Химия. 2025. № 40. DOI: 10.17223/24135542/40/15

Комбинация USPEX/DFT-подхода и РФА для идентификации стабильных фаз Pd–Fe

Представлено комплексное теоретико-экспериментальное исследование биметаллических нанокатализаторов на основе палладия и железа (Pd-Fe), сочетающее методы моделирования ab initio, эволюционного структурного поиска и рентгеноструктурного анализа. С использованием эволюционного алгоритма USPEX в связке с теорией функционала плотности (DFT) предсказаны термодинамически стабильные атомные конфигурации нанокластеров Pd-Fe в диапазоне составов Pd:Fe = 1:1-20:1 и размеров 13-55 атомов. На основании полученных данных сформирована кристаллографическая база эталонных интерметаллических фаз, включая известные соединения FePd, Fe2Pd4, FePd3 и более сложные низкосимметричные структуры Fe2Pd10 и Fe2Pd16. Экспериментальный синтез катализаторов на носителе γ-Al2O3 с последующим трехэтапным термическим восстановлением позволил получить наночастицы переменного состава. Идентификация фазового состава синтезированных образцов выполнена методом Ритвельда с использованием созданной базы. Установлено, что фазовое равновесие в системе Pd-Fe нелинейно зависит от стехиометрического соотношения компонентов: при низком содержании Pd доминирует фаза Fe2Pd4, с увеличением концентрации палладия наблюдается появление фаз FePd3, Fe2Pd10 и Fe2Pd16. Расчеты адгезионной и поверхностной энергий показали, что упорядоченные фазы состава FePd, Fe2Pd4 и FePd3 обладают повышенной реакционной способностью, что делает их перспективными для каталитических приложений. Результаты работы демонстрируют эффективность синергии цифрового проектирования материалов и экспериментальной верификации для рационального создания высокоактивных и селективных биметаллических катализаторов. Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Скачать электронную версию публикации

Загружен, раз: 1

Ключевые слова

биметаллические катализаторы, Pd-Fe, USPEX, метод Ритвельда, интерметаллические фазы

Авторы

ФИО	Организация	Дополнительно	E-mail
Щербакова-Санду Мария Петровна	Томский государственный университет	кандидат химических наук, старший научный сотрудник Центра исследований в области материалов и технологий химического факультета	mpsandu94@gmail.com
Гулевич Семён Андреевич	Томский государственный университет	младший научный сотрудник Центра исследований в области материалов и технологий химического факультета	semen20200@gmail.com
Мещеряков Евгений Павлович	Томский государственный университет	кандидат химических наук, старший научный сотрудник Центра исследований в области материалов и технологий химического факультета	meevgeni@mail.ru
Абзаев Юрий Афанасьевич	Томский государственный архитектурно-строительный университет	доктор физико-математических наук, профессор, директор Материаловедческого центра коллективного пользования	abzaev2010@yandex.ru
Гуда Сергей Александрович	Южный федеральный университет	доктор физико-математических наук, доцент Института математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воровича, заместитель директора Международного научно-исследовательского института интеллектуальных материалов	gudasergey@yandex.ru
Бузаев Александр Александрович	Томский государственный университет	кандидат химических наук, старший преподаватель химического факультета	buzaev92@icloud.com
Борило Людмила Павловна	Томский государственный университет	доктор технических наук, заведующая кафедрой неорганической химии	borilo@mail.ru
Князев Алексей Сергеевич	Томский государственный университет	доктор химических наук, и.о. декана химического факультета	knyazev@ectcenter.com
Курзина Ирина Александровна	Томский государственный университет	доктор физико-математических наук, доцент, заведующая кафедрой природных соединений, фармацевтической и медицинской химии	kurzina99@mail.ru

Всего: 9

Ссылки

Wang Y., Li X., Zhao Y., Li H., Liu J., Zhang Q. Structure-Activity Relationship in Pd-Fe Bimetallic Catalysts for Formic Acid Decomposition // Journal of Catalysis. 2021. Vol. 404. P. 512-521.

Demirci U.B. Recent Developments in Catalysts for Hydrogen Generation via Chemical Hydride Hydrolysis // International Journal of Hydrogen Energy. 2021. Vol. 46 (40). P. 21845-21865.

Liu J., Zhang Y., Wang H., Li X., Zhao C., Liu Z., Sun Y. Engineering Bimetallic Pd-Ni Nanocatalysts for Enhanced Hydrogen Evolution Reaction in Alkaline Media // ChemSusChem. 2024. Vol. 17 (3). e202301456.

Ferrando R., Jellinek J., Johnston R.L. Nanoalloys: From Theory to Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles // Chemical Reviews. 2008. Vol. 108 (3). P. 845-910.

Zhang L., Liu Y., Wang Z., Li J., Zhao Y., Yang H., Zhang T. Boosting the Selectivity of CO2 Electroreduction to C2 Products via Surface Engineering of Cu-Based Catalysts // ACS Catalysis. 2022. Vol. 12 (8). P. 4567-4577.

Chen X., Li Y., Zhang L., Wang H., Liu Z., Sun Y. Pd-Ni Nanoalloys on Nitrogen-Doped Carbon as Efficient Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction // Nano Energy. 2020. Vol. 75. Art. 104951.

Bozdag M., Taha A.A., Kvashnin A.G., §ahin C., Kvashnin D.G., Sorokin P.B., Qakmak M. Global Search for Thermodynamically Stable Pd-Fe and Pd-Ni Clusters: Implications for Electrocatalysis // Physical Chemistry Chemical Physics. 2023. Vol. 25 (27). P. 18944-18955.

Lyakhov A.O., Oganov A.R., Valle M., Zhu Q. How Evolutionary Crystal Structure Prediction Works - and Why // Computer Physics Communications. 2013. Vol. 184 (3). P. 1172-1182.

Zhu Q., Li H., Liu Y., Zhang Y., Wang Z., Zhao Y., Sun Y. Tuning the Electronic Structure of Pd-Ni Nanoclusters for Enhanced Catalytic Activity in Methanol Oxidation // Nanoscale. 2021. Vol. 13 (25). P. 12045-12055.

Ulissi Z.W., Medford A.J., Bligaard T., Nrskov J.K. To Address Surface Reaction Network Complexity Using Scaling Relations Machine Learning and DFT Calculations // Nature Communications. 2017. Vol. 8. Art. 14621.

Wang A., Kauwe S.K., Murph M.J., Acree W.E., Holder A.M., Sparks T.D., Medford A.J. Symbolic Regression for Efficient Discovery and Interpretation of Catalyst Descriptors // Chemistry of Materials. 2021. Vol. 33 (10). P. 3676-3693.

Jablonska M., Palkovits R. Machine Learning in Heterogeneous Catalysis // Angewandte Chemie International Edition. 2022. Vol. 61 (14). e202114876.

Диаграммы состояния двойных металлических систем : шравочник : в 3 т. / под общ. ред. Н.П. Лякишева. М. : Машиностроение, 1997. Т. 2. 1024 с.

Crystallography Open Database. URL: http://www.crystallography.net/cod/result.php.

The Open Quantum Materials Database. URL: https://oqmd.org/materials/composition/Pd-Fe.

Wang H., Botti S., Marques M.A.L. Predicting stable crystalline compounds using chemical similarity // npj Computational Materials. 2021. Vol. 7. Art 12.

Hultgren R., Zapffe C.A. The crystal structures of iron-palladium superlattices // Zeitschrift fuer Kristallographie, Kristallgeometrie, Kristallphysik, Kristallchemie. 1938. Bd. 99. doi: 10.1524/zkri.1938.99.1.509.

Basinski Z.S., Hume-Rothery W., Sutton A.L. The lattice expansion of iron // Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical and Physical Sciences. 1955. Vol. 229. doi: 10.1098/rspa.1955.0102.