«Искупав» платину в серной кислоте, химики получили новые катализаторы для водородной энергетики
Микрофотография пленки полученного оксида платины и его микроструктура. Источник: Danila Vasilchenko et al. / ACS Inorganic Chemistry, 2022.
Новосибирские ученые предложили простой и доступный метод получения катализаторов на основе оксида платины. Последний известен как катализатор Адамса и применяется при производстве удобрений, нейтрализации токсичных выхлопных газов, а также в химической промышленности. Новый подход экологически безопасен, более прост, чем уже существующие, а также доступен для применения в больших производственных масштабах. Полученные этим методом частицы оксида платины можно использовать в составе материалов для водородной энергетики. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Inorganic Chemistry.
Спрос на платину, которая широко используется в технике, медицине и ювелирном деле, сейчас крайне высок: например, в 2021 году ее мировое производство составило 8,1 миллионов унций — почти 230 тонн. Этот металл также известен как основа для очень активных катализаторов, которые к тому же экологически чистые и безопасные. В последние годы ученые разных стран, в том числе России, активно исследовали поведение растворов платины в азотной кислоте, поскольку при нагревании в них формируются частицы оксидов платины, проявляющих высокую каталитическую активность в разнообразных процессах.
В новом исследовании ученые из Института неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН (Новосибирск) и Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН (Новосибирск) провели подобные эксперименты с растворами платины в серной кислоте. Выяснилось, что в зависимости от концентраций кислоты в образцах формируются различные формы металла. Разбавленные (порядка 300 г/л) растворы нестабильны и постепенно в них образуются сферические частицы оксида. Если концентрация кислоты была выше (до 1100 г/л), то преимущественно получались водно-сульфатные моноядерные комплексы — с одним атомом платины. При еще больших количествах серной кислоты образовывались полиядерные комплексы этого металла с сульфат-ионом.
Исследования показали, что использование разбавленной кислоты предоставляет удобный и простой подход к приготовлению платино-оксидных катализаторов Адамса, используемых при производстве удобрений и в химической промышленности. В отличие от азотнокислых растворов, формирование частиц оксида платины в сернокислых происходит достаточно «плавно», при этом скорость процесса можно варьировать в широком диапазоне, изменяя концентрацию кислоты. Получаемые частицы можно использовать в составе фотокатализаторов, способствующих образованию водорода из воды под действием видимого света. Такие материалы не только помогут перейти к экологически чистой водородной энергетике, но также разработать новые способы очистки воды. Важно отметить, что предложенный авторами метод не требует дополнительных органических стабилизаторов, ядовитых галогенидов и щелочных металлов — в отличие от других известных способов получения катализаторов Адамса.
«Используя то, что исследованные системы неустойчивы и со временем в них самопроизвольно образуются частицы оксида платины, мы разработали новый метод приготовления высокоактивных катализаторов для получения водорода под действием видимого света. Активность таких материалов сопоставима с лучшими известными в данной области катализаторами, а метод очень прост и удобен для масштабирования, то есть применения в промышленном производстве», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Данила Васильченко, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН.
В дальнейшем ученые планируют исследовать соединения платины, образующиеся в высококонцентрированных растворах серной кислоты, а также выяснить, как формируются частицы ее оксида в различных условиях, например при разной температуре.
Автор: Захар Слуковский