Продукты горения углеродсодержащего топлива остаются одним из главных факторов, оказывающих негативное влияние на окружающую среду и здоровье человека. Чтобы снизить их вредное воздействие, используются катализаторы, активными компонентами которых являются платина, палладий и другие дорогостоящие металлы. Химики Томского государственного университета при поддержке РНФ (грант № 23-73-00109) разрабатывают новые каталитические материалы для нейтрализации сажи и угарного газа. Активными компонентами в них выступят медь и серебро, что позволит в десятки раз снизить стоимость продукта, сохранив высокий КПД.
– Человек очень сильно зависит от такого источника энергии, как углеродсодержащее топливо. Оно играет решающую роль в транспортном и энергетическом секторах, – поясняет ответственный исполнитель проекта, молодой ученый химического факультета ТГУ Мария Грабченко. – Результат использования такого топлива промышленными предприятиями, тепло- и электростанциями, транспортом – образование смога, кислотных дождей, разрушение озонового слоя и прочее. Основная часть предлагаемых сегодня катализаторов не может решать задачу очистки воздуха в глобальном масштабе. Это связано с использованием дорогостоящих благородных (палладий, платина) или токсичных (хлор) металлов в качестве активного компонента, а также низкой стабильностью катализаторов в реальных условиях.
Новый катализатор химики ТГУ разрабатывают при поддержке РНФ
Для решения экологических задач химики ТГУ разрабатывают принципиально новые каталитические материалы. Основой для них послужат оксиды церия, марганца, циркония и олова. В качестве активного компонента будут использоваться биметаллические частицы Ag-Cu, обладающие высокой окислительной способностью. Задавать нужные функциональные свойства химики будут еще на этапе синтеза катализатора.
Среди главных требуемых технических характеристик – высокая эффективность, стабильность, устойчивость к спеканию и воздействию каталитических ядов. Сложность создания катализатора для нейтрализации выхлопных газов автомобилей заключается в том, что такие материалы работают при высокой температуре. Когда мотор еще не прогрелся, сажа уже выбрасывается, поэтому ученым нужно решить проблему холодного старта. Другая задача заключается в том, чтобы снизить температуру, при которой будет возможно разложение сажи, образующейся в процессе сжигания топлива на промпредприятиях.
– За счет высоких окислительных свойств, которые обеспечивает не только активный компонент, но и сам носитель катализатора, мы планируем снизить температуру разложения сажи, – говорит Мария Грабченко. – Катализатор будет окислять частицы сажи и угарный газ в безопасные соединения – углекислый газ и воду. Новые материалы будут иметь высокий КПД при значительно меньшей стоимости. Стоимость платины, которая используется сейчас в каталитических материалах для промышленности, в разы выше стоимости серебра.
Выгодными отличительными чертами новых каталитических материалов также являются их безвредность для окружающей среды и возможность повторного использования после температурной обработки. Катализаторы, разработанные химиками Томского госуниверситета, могут быть использованы как в фильтрах, устанавливаемых на транспорте и промышленных предприятиях, так и в помещениях.
Добавим, что разработка новых материалов и технологий для обеспечения технической, экологической, цифровой и других видов безопасности входит в число ключевых научных направлений, развиваемых ТГУ в рамках стратпроекта «Технологии безопасности». Проект реализуется при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030».