Новый фотокатализатор упростит декарбонизацию и повысит эффективность других химических реакций

Утилизация парниковых газов — одно из самых популярных направлений мирового тренда на декарбонизацию, то есть снижения углеродного следа от производства и деятельности человека. Сегодня в реакциях превращения углекислого газа в метан используют в основном дорогие и сложные катализаторы — золото, платину, палладий. Группа учёных из Сколтеха, Института катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН и Томского политехнического университета провела эксперимент и подтвердила, что конкуренцию благородным металлам может составить новый фотокатализатор на основе борида вольфрама WB_5-x-WB₂ и диоксида титана TiO₂. Он в разы повышает эффективность химических реакций и значительно дешевле используемых сегодня катализаторов. Результаты работы представлены в журнале Applied Surface Science.

Пентаборид вольфрама WB5-x ранее синтезировали в качестве экономичной замены для дорогостоящих резцов из алмазов и победита, применяемых на буровом оборудовании в нефтегазовой отрасли. Профессор Проектного центра по энергопереходу в Сколтехе Александр Квашнин, профессор и руководитель Лаборатории дизайна материалов Артём Оганов и их коллеги использовали машинный алгоритм, который предсказал возможность существования стабильного пентаборида WB5, а затем получили образцы спеканием вольфрама и бора в соотношении один к семи при температурах до 1500 градусов Цельсия и давлении до 7 гигапаскалей. Метод синтеза сверхтвёрдого борида вольфрама затем был доработан совместно с Томским политехническим университетом — это сделало его получение более эффективным и экономичным.

«Мы выявили свойства, которые позволили нам предположить, что пентаборид вольфрама не только перспективен в сфере нефтедобычи, но ещё 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», — рассказала соавтор исследования Александра Радина, аспирант программы «Науки о материалах» в Сколтехе.

Учёные из Томского политехнического университета синтезировали порошок высшего борида вольфрама с использованием разработанной ранее технологии, а исследователи из Института катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН использовали синтезированный материал в качестве сокатализатора двух реакций — по превращению углекислого газа в метан и по получению водорода из водного раствора этанола. Результаты показали, что с боридом вольфрама WB_5-x-WB₂ эффективность первой реакции повышается в 4 раза, а второй — в 23 раза. Методы структурного анализа, такие как просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения, дифракция рентгеновских лучей, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и др., подтвердили, что в данном случае работает именно новый катализатор WB_5-x-WB₂/TiO₂. Исследования комплексом указанных выше методов проводили на базе Национального центра исследования катализаторов на базе Института катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН.

«Данные моделирования показали, что высший борид вольфрама должен работать в качестве активного материала катализатора для процесса получения водорода из этанола, а результаты экспериментов подтвердили наши предсказания. Ввиду того, что наш материал не рассматривался ранее как потенциальный катализатор, сейчас встаёт вопрос о скрининге химических процессов, где он мог бы проявить себя как более эффективный катализатор по сравнению с традиционными материалами», — рассказал руководитель исследования Александр Квашнин, профессор Проектного центра по энергопереходу Сколтеха.

Как отмечают авторы, новый фотокатализатор может быть эффективен не только в рассмотренных реакциях. Наиболее важным результатом проведённого исследования является новое направление для применения материалов на основе боридов и карбидов переходных металлов, в том числе и высокоэнтропийных. Сейчас коллектив из трёх организаций ведёт активные исследования, посвящённые применению новых материалов в различных каталитических процессах, имеющих приложения в фотокатализе, нефтехимии и так далее.

Работа поддержана Министерством высшего образования и науки РФ (проект FSWW-2022-0018) и грантом РНФ № 21-73-10235 «Получение ценных органических соединений путём фотокаталитического восстановления CO₂: строение катализаторов и механизм их каталитического действия».