Новости

12 июля, 2023 12:31

Чтобы катализатор работал в 20 раз лучше, возьмите соду

Сибирские ученые обнаружили простой метод получения платиновых карбонатных комплексов. Они могут выступать в качестве удобных и экологичных предшественников катализаторов на основе платины. С помощью новой технологии, требующей лишь гидроксид платины и пищевую соду, авторы получили катализатор, который в расчете на один атом платины позволяет получить в 23 раза больше водорода из гидразина по сравнению с аналогичными катализаторами. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, опубликованы в журнале ACS Inorganic Chemistry.
Устойчивый коллоидный раствор частиц оксида платины в воде, полученный нагреванием карбонатного раствора гидроксида платины. Источник: Данила Васильченко

Соединения платины широко используются в промышленности, медицине, водородной энергетике и других отраслях производства в качестве катализаторов — веществ, которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются. Платина обладает каталитической активностью по отношению к самым разнообразным классам веществ. Например, с ее помощью нейтрализуют автомобильные выхлопные газы, а также в промышленных масштабах получают азотную кислоту. Высокая устойчивость платины к взаимодействию с другими веществами обуславливает длительный срок службы катализаторов. Все эти достоинства вызывают неугасающий интерес к разработке новых веществ и материалов на основе платины.

Характеристики катализатора во многом зависят от вещества-предшественника, или прекурсора, из которого его получают. В процессе синтеза исходное соединение определяет размер образующихся частиц платины, а также возможные примеси в конечном продукте — платиновом катализаторе. Большинство современных веществ-предшественников платины представляют собой растворы агрессивных минеральных кислот, например, азотной или соляной. Такие прекурсоры приводят к коррозии применяемой для получения катализатора технической аппаратуры, вредны для персонала, задействованного на производстве, а также разрушают материал носителя в ходе химической реакции, что снижает активность катализатора и мешает использовать его повторно.

Ученые Института неорганической химии имени А. В. Николаева (Новосибирск) получили безопасные, удобные и доступные вещества-предшественники — карбонатные комплексы платины — для получения катализаторов, и совместно с сотрудниками Института катализа имени Г. К. Борескова (Новосибирск) провели испытания полученных соединений. Изначально ученые обнаружили, что в растворах гидроксида платины, долго стоявших на воздухе, образуются платино-карбонатные комплексы. Источником карбоната при этом служит углекислый газ, проникающий в раствор из атмосферы. Исследователи изучили механизм взаимодействия углекислого газа с ионами платины и выяснили, что в результате образуется несколько вариантов устойчивых карбонатных комплексов платины, которые и послужили основой для будущих катализаторов.

Стабильность комплексов оказалась неожиданной для исследователей, поскольку аналогичные карбонатные соединения других благородных металлов, таких как палладий и родий, быстро распадаются. Карбонатные комплексы платины же достаточно устойчивы, однако при длительном хранении или при нагревании они превращаются в наночастицы оксида платины. Если же в раствор с карбонатными комплексами внести суспензию каких-либо твердых частиц, например оксида церия или графитоподобного нитрида углерода, то наночастицы оксида платины образуются прямо на поверхности этих носителей, что позволяет получать платиновые катализаторы. Таким способом исследователи получили материал, в котором на поверхности носителя располагались не просто частицы чистой платины, а ее сплава с никелем.


Установка для долговременного тестирования активности катализатора. Источник: Данила Васильченко

Далее ученые проверили активность полученных катализаторов, используя их для ускорения реакции разложения гидразина. Гидразин применяется как топливо для двигателей ракет, но его также можно использовать для получения и компактного хранения водорода — экологически чистого топлива. В присутствии частиц сплава платины и никеля гидразин распадается на азот и водород. Все испытанные катализаторы показали избирательность более 97% в этой реакции, что говорит о высокой эффективности превращения. Наибольшую скорость, около 500 молекул водорода в час на одном атоме платины, показал катализатор, в котором частицы платина-никель были нанесены на молекулу оксида церия. Он также оказался очень устойчивым в условиях реакции и выработал в 23 раза больше водорода в пересчете на один атом платины, чем другие аналогичные материалы. Кроме того, оказалось, что другой платино-никелевый катализатор на графитоподобном нитриде углерода увеличивает свою активность на свету, благодаря чему разложение гидразин-гидрата увеличивается на 40%.

«Для приготовления катализаторов мы использовали карбонаты, в частности, пищевую соду, имеющую нейтральную кислотность — такие соединения не вызывают коррозии, безопасны для человека и природы, а также стабильны при длительном хранении», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Данила Васильченко, кандидат химических наук, старший научный сотрудник ИНХ СО РАН.
Уже после публикации статьи ученые выделили карбонатные комплексы платины в твердую фазу и установили их пространственную структуру. В дальнейшем исследователи планируют вместо воды в качестве растворителя для карбонатных комплексов использовать органические соединения. Ученые хотят проверить, как карбонатные комплексы поведут себя с органическими лигандами. Карбонат достаточно прочно удерживается в соединениях с платиной, но может быть в необходимый момент легко удален просто подкислением раствора. С данной точки зрения карбонатные комплексы перспективны в синтезе платиносодержащих противоопухолевых препаратов.

Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ

18 июля, 2024
Чувствительный к летучим соединениям молока «электронный нос» с 83% точностью оценил количество бактерий в продукте
Ученые создали датчик, который, подобно человеческому носу, улавливает летучие соединения, содержа...
18 июля, 2024
Кристаллографы СПбГУ расшифровали структуру минерала, открытого более 70 лет назад
Международная группа ученых под руководством кристаллографа Санкт-Петербургского государственного ун...