Читайте больше новостей в нашем Telegram-канале
Для модификации катализатора ученые применили высокоэнтропийные карбиды - это новый класс тугоплавких многокомпонентных материалов.
Скорость каталитического преобразования углекислого газа в метан удалось увеличить примерно в 7 раз благодаря использованию нового композитного материала.
Об этом сообщила пресс-служба Сколтеха.
Ученые Сколтеха и Института катализа СО РАН установили, что эффективность катализаторов на основе оксида титана (TiO₂) резко возрастает при их интеграции в композит с высокоэнтропийным карбидом (ВЭК) пяти металлов: титана, циркония, ниобия, гафния, тантала. Наилучший результат был достигнут при содержании в катализаторе 10% массовой доли карбида, синтезированного безвакуумным электродуговым методом.
Безваккумный электродуговой метод
Безваккумный электродуговой метод предполагает ионизацию воздуха вокруг обрабатываемого объекта, в результате чего вытесняется кислород и предотвращается горение углеродсодержащих компонентов. Затем мощный дуговой разряд за секунды создаёт температуру до 2 500 °C. Химическая реакция при высокой температуре приводит к образованию целевого соединения - ВЭК 5 металлов (Ti, Zr, Nb, Hf, Ta).
Преимущества метода: не требуются вакуумные камеры и длительное подготовительное откачивание воздуха, техпроцесс проходит за секунды и используется промышленное электродуговое оборудование, не нуждающееся в специальных газовых средах.
Модификация катализаторов на основе оксида титана
Работа направлена на решение глобальной задачи по созданию технологий утилизации CO2. Углекислый газ является очень стабильной молекулой, что затрудняет его расщепление без значительных энергозатрат.
Существуют ряд методов улавливания CO2 (адсорбция, хемосорбция, фотокатализ и др.). Оптимальная структура композита для максимального поглощения CO₂ зависит от конкретного метода улавливания и условий применения. Ключевыми факторами являются пористая структура, химический состав, площадь поверхности, стабильность и способность к регенерации материала.
Одним из перспективных подходов считается использование фотокатализаторов, способных преобразовывать смесь CO2 и воды в метан и кислород под действием света. Общая схема реакции:
CO2+2H2O→ (свет, катализатор) → CH4+2O2
TiO₂ - один из наиболее распространённых фотокатализаторов. Однако его большая ширина запрещённой зоны (3,2 эВ) ограничивает способность поглощать видимый свет, поэтому требуются модификации. Российские химики решили усилить свойства TiO₂ путем его встраивания в частицы высокоэнтропийного карбида. Это сложное соединение углерода с несколькими металлами обладает высокой термостойкостью. На первом этапе с помощью компьютерного моделирования была подобрана оптимальная структура композита для максимального поглощения CO2 методом фотокатализа.
На основе расчетов был создан и испытан экспериментальный материал - композит из диоксида титана и карбида 5 металлов. Практические испытания полностью подтвердили результаты моделирования, показавшие семикратное превосходство над чистым, немодифицированным оксидом титана.
Высокоэнтропийные карбиды
Карбиды — это химические соединения углерода с металлами или неметаллами, в которых углерод имеет большую электроотрицательность, чем второй элемент.
Высокоэнтропийные карбиды (ВЭК) - это новый класс тугоплавких многокомпонентных материалов на основе углерода и четырёх‑шести переходных металлов IV–V групп периодической системы. Исключительная механическая прочность и устойчивость к экстремальным температурам обеспечивается конфигурационной энтропией (энтропией смешивания), которая должна превышать значение 1,5 R (где R — универсальная газовая постоянная). Это возможно только при наличии не менее 5 основных элементов в составе. Свойства ВЭК открывают широкие возможности для применения в катализе, авиакосмической промышленности и энергетике.