Ученые НИТУ «МИСиС» разработали новый гибридный материал, способный преобразовать угарный газ в нетоксичный диоксид углерода уже при 190°C. Материал уже готов к тестированию в системах очистки от вредных выбросов на промышленных предприятиях.
Угарный газ — это один из наиболее вредных для человека газов, содержащихся в промышленных выбросах. Один из основных производителей угарного газа — энергетическая отрасль и автотранспорт. Чтобы очистить автомобильные выхлопы от угарного газа, используются каталитические конвертеры. Они окисляют монооксид углерода до нетоксичного диоксида углерода. Но со временем двигатели становятся эффективнее, температура выхлопных газов падает, и обычные катализаторы перестают работать.
Чтобы решить эту проблему, химики ищут новые типы катализаторов, которые могут работать и при относительно невысоких температурах. Самые эффективные из них создают на основе благородных металлов, позволяющих существенно снизить температуру окислительной реакции.
Международная группа ученых под руководством старшего научного сотрудника лаборатории «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 можно использовать для конверсии угарного газа при относительно низких 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 на основе платины ученые отработали воспроизводимую методику синтеза в несколько стадий. Сначала наночастицы нитрида бора измельчаются в водном растворе соли платины, гомогенизируются, 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», — пояснил 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.
Исследование было опубликовано в журнале Applied Catalysis B Environmental.