Российские ученые предложили фотокатализатор, удешевляющий декарбонизацию
Новый недорогой фотокатализатор на основе борида вольфрама WB₅₋x-WB₂ и диоксида титана TiO₂, повышающий в несколько раз эффективность химических реакций, предложила для утилизации парниковых газов группа специалистов из нескольких российских научных организаций, 16 мая сообщает пресс-служба Сколковского института науки и технологий (Сколтех).
Обусловленный глобальным потеплением мировой тренд на декарбонизацию (снижение углеродного следа от производства и деятельности человека), виновником которого объявлены парниковые газы, а основным из них углекислый газ (диоксид углерода, CO₂), инициировал множественные научные разработки, посвященные эффективному предотвращению выбросов CO₂ в атмосферу.
В настоящее время в реакциях превращения углекислого газа в метан (для дальнейшего использования последнего) применяются по большей части дорогие и сложные катализаторы на основе драгоценных металлов — золота, платины и палладия.
В целях разработки более дешевых катализаторов была создана группа исследователей из Сколтеха, Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН и Томского политехнического университета.
Проведенные ею эксперименты доказали, что применение фотокатализатора на основе борида вольфрама WB₅₋x-WB₂ и диоксида титана TiO₂ в такой реакции достаточно эффективно и значительно более дешево по сравнению с используемыми сегодня катализаторами.
Результаты экспериментов исследователи представили в статье «Фотокаталитическое получение H₂ и сокращение выбросов CO₂ с помощью сокатализатора WB₅₋x с катализатором TiO₂», опубликованной в журнале Applied Surface Science.
Пентаборид вольфрама WB₅₋x, обладающий сверхтвердостью, ранее использовали для замены дорогостоящих резцов из алмазов и победита, применяемых, например, на буровом оборудовании в нефтегазовой отрасли.
Члены научной команды разработали математическую модель, которая предсказала существование стабильного пентаборида WB₅, после чего спеканием вольфрама и бора в соотношении 1:7 при температурах до 1500 °C и давлении до 7 гигапаскалей ими были получены образцы этого вещества.
В дальнейшем ученые усовершенствовали технологию синтеза борида вольфрама, добившись большей его эффективности и экономичности.
Соавтор статьи, аспирант программы Сколтеха «Науки о материалах» Александра Радина рассказала о своей части исследования:
«Мы выявили свойства, которые позволили нам предположить, что пентаборид вольфрама не только перспективен в сфере нефтедобычи, но еще и может стать хорошим катализатором. Раньше была известна только кристаллическая структура, информация о стабильности и механических свойствах материала. Мы провели большую работу: предсказали адсорбционные и каталитические свойства пентаборида вольфрама методами компьютерного моделирования и провели вычисления барьеров реакций. Затем мы обратились к нашим коллегам, которые подтвердили результаты экспериментально».
Специалисты Томского Политеха синтезировали порошок WB₅, используя разработанную ранее технологию, а исследователи из Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН провели эксперимент, в котором использовали WB₅ совместно с WB₂ и TiO₂ в качестве катализатора двух реакций — по превращению углекислого газа в метан и по получению водорода из водного раствора этанола. В результате эффективность первой реакции с боридом вольфрама WB₅₋x-WB₂ оказалась выше в 4 раза, а второй — в 23 раза, чем с только с TiO₂.
Исследователи задействовали такие методы структурного анализа, как просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения, дифракция рентгеновских лучей, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и др., которые подтвердили, что каталитический эффект был получен именно за счет действия нового катализатора WB₅₋x-WB₂/TiO₂.
