Металлические наноайсберги в углеродном море помогли ускорить химические реакции

Российские ученые предложили новый способ синтеза высокоактивных металлоуглеродных катализаторов — для этого металлические наночастицы погрузили в графитоподобный сверхчистый углерод. Предложенный способ синтеза универсален, доступен и легко управляем. Благодаря тонкому пористому слою углерода получающиеся системы защищены от вымывания активных металлов, а потому могут работать несколько циклов. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Catalysis.

О том, что металлы ускоряют химические процессы, известно давно, но использовать в катализаторе только их очень дорого, поэтому часто они распыляются по поверхности углерода. При этом важно, чтобы оба компонента были очень чистыми, иначе реакции пойдут «не туда». Кроме того, металл должен крепко держаться на поверхности, в противном случае его просто смоет при первом же воздействии, то есть катализатор будет одноразовым. В этом и состоят основные задачи современного катализа: обеспечить, чтобы реакция шла в строго заданном направлении, и других процессов не было; а также чтобы катализатор служил как можно дольше. В идеале он должен быть дешевым.

Российские ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН (Москва) и Центра новых химических технологий ИК СО РАН (Омск) предложили оригинальный метод синтеза катализаторов на основе наночастиц металла на углероде.

Авторы смешали карбид кальция с различными солями металлов и нагрели в потоке хлора. При таком воздействии соли металлов восстановились до чистых металлов, а карбид кальция разложился до высокочистого углерода. Интересно, что частицы металлов «проплавили» углерод и частично погрузились в него: получились своего рода металлические айсберги в углеродном море. Более того, тонкая (всего в несколько атомов толщиной) углеродная пленка покрывала металлические верхушки, прочно удерживая металл и не давая ему покинуть поверхность. Такие системы оказались устойчивы к вымыванию и поэтому могут служить множество циклов.

Однако оставался вопрос: как такая система будет «работать», если активный металл окутан тонким слоем неактивного углерода? На помощь ученым пришел особый метод: отдельные молекулы азота располагаются в порах при охлаждении, а затем при повышении температуры покидают их. Зная, сколько молекул было поглощено и при каких условиях, можно говорить о количестве пор и их размере. Оказалось, что тонкий слой углерода, покрывающий металл, вовсе не сплошной. В нем есть очень маленькие поры, через которые к активным наночастицам проникают реагенты, и происходит химическая реакция.

«Наши катализаторы не уступают коммерческим и при этом работают намного дольше без потери своей активности, потому что металлы не вымываются», — рассказал Андрей Лебедев, соавтор работы, студент СПбГУ. «Метод является универсальным: получены палладий, платина, золото, серебро, медь и многие другие металлы на углероде, и даже их сплавы», — отметил руководитель проекта по гранту РНФ Константин Родыгин, научный сотрудник СПбГУ.