Любой каприз за ваши связи

Как «одежда» делает катализаторы «умными» и позволяет учёным контролировать химические реакции, как работает новый химический переключатель для синтеза топлива из углекислого газа, а также чем катализаторы похожи на надзирателей — рассказывает Indicator.Ru.

Промышленные катализаторы будущего смогут не только ускорять реакции, но и управлять химическим процессом, а также задавать количество каждого конкретного продукта. Изучение работы катализатора на атомном уровне и новые способы её настройки опубликованы в журнале Nature Chemistry.

Химический менеджмент

Катализатор — вещество, которое увеличивает скорость химической реакции. Часто при данной температуре, давлении, концентрации реагентов превращения происходят очень медленно, и именно добавление катализатора провоцирует вещества вступить в активное взаимодействие. Однако сам катализатор, как надзиратель, побуждающий к действию рабов, напрямую в реакции не участвует, выходя из неё неизменным. Одна из разновидностей катализаторов — нанесённые, которые содержат активный компонент, покрывающий пористое вещество-носитель (пемза, асбест, силикагель). Такие носители позволяют увеличить поверхность соприкосновения катализатора с веществами-участниками реакции и сэкономить дорогостоящие активные компоненты.

Улучшение хода реакции пока шло по пути проектирования формы металла-катализатора, хотя было известно, что исход реакции также зависит и от подложки. Например, она может стабилизировать маленькие частицы, передавать заряды и участвовать в заключении в капсулу наночастиц катализатора. Последнее происходит с катализаторами-металлами платиновой группы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) и называется «сильное взаимодействие металл-носитель».

Заворачивание катализатора в капсулу — единственный механизм влияния вещества-носителя на катализаторы в виде частиц более 1-2 нанометра в диаметре. Если бы можно было заставить катализатор покрыться оксидами частично, это позволило бы создать удобный переключатель, способный влиять на ход реакции.

Команда учёных во главе с Филиппом Кристофером, старшим профессором Калифорнийского университета, исследовала действие катализаторов с помощью электронной микроскопии и спектроскопии, чтобы понять, как научиться контролировать и оптимизировать реакцию. Работа, озаглавленная «Регулируемые поглощаемым веществом сильные взаимодействия металлов-носителей на примере нанесённых на оксиды родиевых катализаторов», описывает новый подход к настройке действия катализаторов в режиме реального времени.

Снимите это немедленно, чтобы получить метан

Пристального внимания американских учёных удостоилась реакция конверсии углекислого газа — восстановление водородом (Н2) углекислого газа (CO2) до монооксида углерода (СО) с получением метана (CH4), который потом может использоваться в качестве сырья для топлива. Научиться осуществлять эту реакцию в промышленных масштабах очень важно, так как она позволит утилизировать выбросы углекислого газа, что имеет огромное экологическое значение.

Взаимодействие катализатора с носителем было изучено на примере наночастиц родиевого катализатора, который был нанесён на подложку, состоящую из оксидов титана и ниобия (TiO2 и Nb2O5). С помощью методов электронной микроскопии и спектроскопии исследователи установили, что при температуре 150-300 градусов Цельсия и высокой концентрации CO2 и H2 наночастицы родия «заворачиваются» в оксидный слой, но не обычный, а контролируемый поглощаемым веществом. Такие капсулы, в формировании которых участвует не только оксидная подложка, но и сами адсорбируемые вещества, оказываются аморфными и проницаемыми для реагентов и не дают реакции пойти в обратном направлении. «Одетые» наночастицы родия направляют реакцию по пути синтеза СО, а «раздетые» склоняют чашу весов в пользу выработки СН4. Таким образом, учёные продемонстрировали, что физические изменения катализатора могут влиять на ход химической реакции.

Учёные утверждают, что польза этой реакции двойная: с одной стороны, она позволяет уменьшить содержание в атмосфере углекислого газа, а с другой — предоставляет нам сырьё для производства топлива.