Новости в фейсбук

Российские химики подтвердили суперэффективность «корочковых» катализаторов

msk

Сотрудники химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с коллегами из ФТИ имени А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) получили и изучили высокоэффективные «корочковые» биметаллические катализаторы для важных реакций нефтехимии и экологического катализа. Результаты работы опубликованы в журнале ChemCatChem.

Двойные катализаторы, в структуре которых присутствуют каталитические центры двух металлов, позволяют проводить важные промышленные процессы в более мягких условиях, экономя тем самым миллиарды рублей и снижая нагрузку на экологию. Ученые из ФТИ имени А.Ф. Иоффе РАН под руководством профессора, д.х.н. Сергея Гуревича разработали метод лазерного электродиспергирования (ЛЭД), с помощью которого получили биметаллические катализаторы. А ведущие научные сотрудники химического факультета МГУ Татьяна Ростовщикова, Ирина Тарханова, Екатерина Локтева впервые исследовали активность двойных катализаторов, синтезированных методом ЛЭД, в реакциях окислительно-восстановительного катализа – окислении угарного газа и серосодержащих компонентов нефти (реакции экологического катализа). 

Химики МГУ показали, что палладий-никелевый катализатор, нанесенный на оксид алюминия и содержащий всего 5 × 10-3 масс. % металлов, в 6 раз более активен в окислении оксида углерода, чем монометаллический палладиевый, и в 26 раз активнее, чем известный золото-никелевый катализатор на том же носителе, но изготовленный стандартными методами и содержащий в 200 раз больше металла. Биметаллический никель-вольфрамовый ЛЭД-катализатор в два раза активнее монометаллического вольфрамового и при этом значительно более устойчив в агрессивной реакционной среде: с помощью одной порции катализатора можно успешно превратить не одну-две, а пять и более порций реагентов. Более того, никель-вольфрамовые катализаторы способны проводить сразу два нефтехимических процесса: гидрообработку и окислительное обессеривание, что еще больше упрощает процесс. Как говорят авторы работы, лазерное излучение позволяет нанести на инертный носитель мельчайшие наночастицы металлов.

Мишень из выбранного металла подвергают лазерному воздействию: капли расплавленного металла заряжаются в плазме лазерного луча и начинают делиться на все более мелкие капельки, размер которых достигает единиц нанометров. Металлические капли получаются очень однородные – одинакового размера, чего невозможно достичь в растворе. Далее нанокапли падают на поверхность носителя. Для промышленных реакций хорошо использовать основу из оксида алюминия или углеродного материала сибунит. Чтобы покрыть гранулы носителя со всех сторон, их встряхивают на держателе с помощью пьезокерамической пластинки. В результате весь металл из мишени равномерным тонким слоем покрывает носитель, за что ученые прозвали такие системы «корочковыми». Таким способом удается получать весьма эффективные катализаторы с очень низким содержанием благородных металлов (платины, палладия), что существенно снижает их стоимость по сравнению с теми, которые изготавливают традиционными методами «мокрой» химии (из водных растворов реагентов).

Российские химики впервые попробовали создать с помощью лазерного электродиспергирования биметаллические катализаторы – для этого пришлось разработать новые способы. Чтобы получить металлические капли, ученые лазером облучали мишень из сплава никеля и палладия или другие мишени, спрессованные из порошков палладия и вольфрама или палладия и молибдена. Оба варианта оказались удачными: в обоих случаях были получены биметаллические катализаторы. 

«Когда нанесенные металлсодержащие катализаторы получают традиционными методами „мокрой“ химии, часть металла может содержаться на поверхности каталитических частиц, а часть – в объеме и в порах носителя, – рассказывает один из авторов работы, ведущий научный сотрудник кафедры физической химии МГУ д.х.н. Екатерина Локтева. – При нанесении методом ЛЭД весь металл оказывается на внешней поверхности гранул носителя, он легко доступен для реагентов. Особенность наших ЛЭД-катализаторов в том, что мы наносим очень мало металла: 10-2–10-3 масс. % и даже меньше. Исследованные нами системы показали активность не хуже, а во многих случаях даже лучше, чем традиционные катализаторы, содержащие от 0,5 до 5 масс. % благородных металлов. Следовательно, можно использовать в сто и даже в тысячу раз меньшие количества благородных металлов, но при этом не снизить, а значительно увеличить активность и стабильность их работы».

Изображение. Схема получения металлсодержащих катализаторов на гранулированном носителе методом ЛЭД. Екатерина Локтева/МГУ