Специалисты из МГУ (Москва) и ФТИ (Санкт-Петербург) провели исследование «двойных» катализаторов, которые были созданы путем электродиспергирования. Полученные материалы продемонстрировали повышенную активность при нефтихимических реакциях и катализе, применяемом в экологии, в сравнении с монометаллическими катализаторами. Результаты химического исследования представлены в периодическом научном издании ChemCatChem.

Биметаллические катализаторы, включающие катализирующие центры сразу двух металлов, могут использоваться для проведения ряда процессов, применяющихся в промышленности, в упрощенной форме. Специалисты ФТИ во главе с профессором Сергеем Гуревичем создали уникальный способ ЛЭД (лазерного электродиспергирования), позволяющий синтезировать «двойные» катализаторы.

Специалисты химфака МГУ Т. Ростовщикова, Е. Локтева и И. Тарханова изучили и проанализировали активность, проявляющуюся двуметаллическими катализаторами, созданными путем ЛЭД, в окислительно-восстановительных катализирующих реакциях на примере окисления CO и нефтяных элементов, в которых содержится сера.

Химиками было выявлено, что катализатор, основанный на палладии и никеле с содержанием 5×10-3 масс. % металлов, который нанесен на алюминиевый оксид проявляет активность в окислении углеродного оксида, шестикратно превышающую палладиевый монометаллический катализатор. Если сравнивать его активность с катализатором из золота и никеля, то разница будет составлять около 26 раз.

Двуметаллический катализатор, включающий никелевую и вольфрамовую основу, вдвое более активный при сопоставлении с вольфрамовым монометаллическим аналогом. Вдобавок он намного более стойкий к агрессивному реакционному окружению. Используя одну порцию катализатора, возможно создание 5 и более реагентов. Катализаторы из никеля и вольфрама могут применяться для проведения сразу двух нефтехимических реакций: гидрообработки и обессеривания с помощью окисления.

ЛЭД-излучение применяется для нанесения металлических микрочастиц на инертный носитель. В первую очередь металлический элемент подвергается воздействию лазера. Расплавленный металл получает заряд от лазерного луча, поэтому металлические капли делятся на уменьшенные капли, которые могут быть по размеру сопоставимы с наночастицами.

Схема получения металлсодержащих катализаторов на гранулированном носителе методом ЛЭД

Металлические капельки становятся более однородными и одноразмерными. Такой эффект невозможно получить, используя раствор. Далее микроскопические капли раскаленного металла попадают на поверхность носителя. В промышленности зачастую применяют алюминиевый оксид либо Сибунит — материал, содержащий углерод.

Для всестороннего покрытия гранул носителя их необходимо встряхнуть на держателе, применяя пьезокерамические пластинки. Благодаря этому носитель покрывается равномерным слоем металла небольшой толщины. Поэтому химики присвоили данному типу катализаторов наименование «корочковые». Метод позволяет получать сверхэффективные катализаторы, в которых содержится крайне мало дорогостоящих металлов, вроде платины или палладия. Это значительно сокращает затраты на них, особенно в сравнении со стандартными методами на основе водных растворов реагентов.

Российские специалисты-химики первыми применили метод ЛЭД для получения биметаллических катализаторов. Поэтому им пришлось самостоятельно разработать уникальные методы. Чтобы расплавить металл и получить капли, потребовалось лазерным лучом воздействовать на мишень, состоящую из никель-палладиевого сплава. Также использовались другие типы мишеней, которые состояли из прессованного палладиевого и вольфрамового порошка или палладия, соединенного с молибденом. Оба метода оказались успешными, поскольку специалистам удалось создать двуметаллические катализаторы.

Екатерина Локтева, специалист кафедры физической химии МГУ, отметила, что при нанесении катализаторов, содержащих металлы, традиционным «мокрым» химическим методом металл частично может находится на поверхности каталитических частиц, а также в иных частях носителя. Если использовать способ, разработанный учеными, то металл полностью помещается на поверхности гранулированных частей носителя, поэтому становится открытым для реагентов.

По мнению редакции портала новостей «Центропресс», важной особенностью катализаторов, полученных путем лазерной обработки, является потребность в небольшом содержании металла. Изученные системы продемонстрировали аналогичную или большую активность, чем обычные монометаллические катализаторы, в которых содержится большее количество благородных металлов. Поэтому при их применении требуется существенно меньше дорогостоящих металлов, а эффективность при этом даже возрастет.