Ученые разрабатывают новые типы катализаторов на основе сплавов металлов
Исследование каталитических способностей многокомпонентных металлических сплавов совместно с углеродными наноматериалами для создания катализаторов нового типа проводят ученые ФИЦ Институт катализа СО РАН, 20 июня сообщает пресс-служба института.
Предполагается, что новые типы катализаторов заменят дорогостоящие аналоги из драгоценных металлов при очистке воды от опасных хлорароматических соединений, а также при хранении водорода.
Объект исследования — многокомпонентные сплавы (МКС), или иначе высокоэнтропийные сплавы. Они представляют собой системы, в состав которых входят 4–5 и более металлов в близких концентрациях. Такие системы могут иметь уникальные физические характеристики.
Ранее такие сплавы не использовались в синтезе углеродных наноматериалов. Руководитель проекта, ведущий научный сотрудник Института катализа СО РАН, к .х. н. Илья Мишаков рассказал:
«Интересно, что в составе подобных сплавов есть никель, кобальт, железо — это те самые металлы, которые хорошо известны как катализаторы получения углеродных нанотрубок, нановолокон и т. д. Но до сих пор их не применяли для синтеза подобных материалов».
Исследователи намерены синтезировать сплавы, содержащие четыре, пять и более компонентов, и изучить их способность служить активными катализаторами синтеза углеродных наноструктур, в том числе углеродных нановолокон.
В данном проекте синтезом целевых сплавов с помощью различных технологий занимаются также ученые Института неорганической химии СО РАН (Новосибирск) и Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск).
В Институте неорганической химии СО РАН исследуется метод термолиза многокомпонентных предшественников. По этой технологии химические реагенты, содержащие необходимые металлические компоненты, сначала смешиваются, а затем прокаливаются, восстанавливаются, в результате образуя сплав.
В Томске будет опробован метод совместного электрического взрыва проволок различных металлов. Как рассказал Илья Мишаков: проволоки необходимых металлов/сплавов переплетают между собой и пропускают через них импульсы тока высокой плотности. Проволоки совместно диспергируют, образуя частицы многокомпонентного сплава (МКС).
Третий исследуемый способ — механохимическое сплавление порошков металлов в планетарной мельнице. Она развивает большое ускорение мелющихся тел, в результате чего порошок из различных металлов сплавляется между собой.
Далее полученные образцы МКС будут исследованы на их реакционную способность в синтезе углеродных наноматериалов для создания нового типа закрепленных катализаторов. Для этого сплав подвергается термической обработке в углеродсодержащей атмосфере. При этом он диспергируется на активные частицы, обладающие каталитическими свойствами.
На частицах сплава формируются углеродные волокна, создавая композитный материал из углеродных нановолокон и МКС. Такие системы могут быть использованы в качестве катализаторов различных химических процессов. Данный проект предусматривает исследование способности новых катализаторов обезвреживать хлорароматические соединения.
«Создаваемые системы могут применяться для адсорбции и гидродехлорирования хлорароматических соединений. Мы будем проверять нанесенные на углерод МКС в процессах обезвреживания хлорзамещенных углеводородов, которые, даже в малом количестве попадая в водоемы при техногенных авариях, портят воду и делают ее непригодной для использования и опасной для биологических объектов», — пояснил Мишаков.
Еще одно направление исследований — каталитические характеристики нового материала в процессе селективного гидрирования для получения этилена из ацетилена:
«В этом процессе селективно гидрируется тройная связь и получается этилен. Подготовка сырья путем селективного гидрирования — это один из важных процессов в промышленности», — сообщил Мишаков, уточнив, что такими исследованиями будут заниматься специалисты Центра новых химических технологий ИК СО РАН в Омске.
Кроме того, каталитические системы с МКС могут быть использованы в системах хранения водорода. Илья Мишаков Мишаков пояснил: «Хранение водорода — очень непростая задача. Один из способов основан на использовании так называемых жидких органических носителей водорода, которые способны обратимо присоединять и отдавать водород. Для этих процессов также необходимы катализаторы, и системы на основе МКС могут оказаться перспективными».
Руководитель проекта отметил, что новые каталитические системы могут стать более доступной альтернативой драгоценным металлам, используемым в настоящее время в процессах гидродехлорирования и гидрирования:
«Драгоценные металлы типа палладия можно заменить набором очень дешевых — никелем, железом, хромом и т. д. в разных комбинациях. Они могут дать значимый положительный эффект, работая вместе. Мы ищем комбинации металлов, которые бы работали более слаженно в „команде“, обеспечивая такую же активность, как и драгметаллы, а возможно и более высокую», — заключил Мишаков.
