Ученые НИТУ «МИСиС» разработали новый гибридный материал, показывающий эффективность в полном преобразовании угарного газа в нетоксичный диоксид углерода уже при 190 градусах Цельсия. Аналоги демонстрируют 100% конверсию только при ХХ. Полученный материал уже сейчас можно тестировать в системах очистки от вредных выбросов на промышленных предприятиях. Исследование было опубликовано в журнале Applied Catalysis B Environmental.
Монооксид углерода (угарный газ) — один из наиболее вредных для человека газов, содержащихся в промышленных выбросах. Он выделяется при горении материалов, в состав которых входит углерод — бензин, природный газ, дизельное топливо, угли, древесина и т.п. В числе основных производителей угарного газа — энергетическая отрасль и автотранспорт. Для избавления автомобильных выхлопов от монооксида углерода используют каталитические конвертеры, которые окисляют его до нетоксичного диоксида углерода. Однако из-за повышения эффективности современных двигателей, которое сопровождается уменьшением температуры выхлопных газов, катализаторы теряют эффективность и содержание угарного газа в них повышается.
Для решения этой проблемы химики активно ищут новые типы катализаторов окисления угарного газа, которые могут работать и при относительно невысоких температурах — до 150 градусов Цельсия. Наиболее эффективными на сегодняшний день являются катализаторы на основе благородных металлов, которые позволяют существенно снизить температуру окислительной реакции. Среди таких металлов особый интерес ученых вызывают платина и золото.
Международная группа ученых под руководством старшего научного сотрудника НИЛ «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Андрея Ковальского синтезировала новые материалы на основе наночастиц платины и золота с гексагональным нитритом бора в качестве матрицы-носителя. Получившиеся материалы на основе платины (Pt/BN) можно использовать для конверсии угарного газа при низких (в промышленном понимании) температурах. Гибридные наночастицы на основе золота показали более скромные характеристики в реакции окисления монооксида углерода, однако перспективы их применения не ограничиваются лишь химическим катализом. В частности, такие материалы рассматриваются в качестве транспортных агентов для адресной доставки терапевтических препаратов.
Для частиц Pt/BN ученые отработали воспроизводимую методику синтеза в несколько стадий. Сначала наночастицы нитрида бора измельчаются (диспергируются) в водном растворе соли платины, гомогенизируются (т.е. повышается однородность полученного вещества), затем высушиваются и в итоге обрабатываются в протоке водорода при повышенной температуре для восстановления соли платины до металла. Методика позволяет равномерно распределять по поверхности керамических наночастиц нитрида бора частицы платины размером всего порядка 4 нанометров. Наиболее эффективными с точки зрения катализа оказались материалы с концентрацией платиновых наночастиц около 4% от общей массы вещества. Исследование показало, что такие материалы демонстрируют каталитическую активность при температурах ниже 100 градусов Цельсия, а полная конверсия угарного газа достигается уже при 190 градусах. Для сравнения, материалы с аналогичной концентрацией наночастиц золота начинают работать при температурах от 150 градусов Цельсия, и, соответственно, полная конверсия происходит при температурах 300-350 градусов.
«Проведенные исследования позволили нам глубоко разобраться в процессах, происходящих на границе керамика/металл, в различных механизмах катализа на этой границе, что позволит нам оптимизировать и существенно удешевить методики получения уже существующих катализаторов, а также создавать новые эффективные гетерогенные материалы, применимые в важных технологических реакциях», — поясняет Андрей Ковальский.
Разработанный исследователями материал уже сейчас возможно тестировать в условиях работы систем очистки от вредных выбросов на промышленных предприятиях. В перспективе, при условии снижения температуры конверсии, подобные материалы, вероятно, можно будет применять и для снижения доли монооксида углерода в автомобильных выхлопах.