indicator (indicator) wrote,
indicator
indicator

Любой каприз за ваши связи: как катализаторы управляют химическими превращениями по заказу

Как «одежда» делает катализаторы «умными» и позволяет ученым 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 ее 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 нее неизменным.
Одна из разновидностей катализаторов – нанесенные, которые содержат активный компонент, покрывающий пористое вещество-носитель (например, 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 ученых 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 нанесенных на оксиды родиевых катализаторов», описывает новый подход к настройке действия катализаторов в режиме реального времени.


Снимите это немедленно, чтобы получить метан

Пристального внимания американских ученых 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, а это имеет огромное экологическое значение.

Взаимодействие нанесенного катализатора с носителем было изучено на примере наночастиц родиевого катализатора, нанесенного 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 по Цельсию 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, ученые показали, как физические изменения катализатора могут влиять на ход химической реакции.

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


Авторы – Екатерина Мищенко, Виктория Барановская
Tags: катализатор, углекислый газ
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 0 comments