Усовершенствован синтез катализаторов для "обезвреживания" угарного газа

Усовершенствован синтез катализаторов для "обезвреживания" угарного газа

Ученые НИТУ "МИСиС" в сотрудничестве с коллегами из Швеции и Беларуси разработали метод простого одностадийного синтеза катализаторов для окисления угарного газа CO, крайне токсичного вещества, являющегося побочным продуктом горения топлива и ряда промышленных процесов. Катализаторы представляют собой графен-металлические композиты, активно реагирующие с окружающей атмосферой, и в кратчайшие сроки "обезвреживающие" CO. Результаты работы были опубликованы в журналах Inorganic Chemistry и Nature Scientific Reports.

Чистый графен и его аналоги являются одними из лучших катализаторов для активации большого числа лабораторных и промышленных процессов. Повышение каталитической активности графеновых материалов может быть достигнуто за счет их модификации - введения в структуру или на поверхность наноразмерных зерен каталитически активных металлов, таких как медь и никель. Такого рода катализаторы можно использовать, например, для окисления CO (более известен как "угарный газ", образуется при неполном окислении углеродсодержащего компонентов или топлива во многих промышленных и бытовых процессах - легировании стали, сжигании топлива и бытового газа).

При этом, как правило, синтез подобных композиций довольно сложен, требует длительного времени, использования дорогостоящего оборудования, сложных технологических операций. Эти факторы делают синтез графен-металлических нанокомпозитов довольно дорогим и трудоемким процессом. При этом угарный газ либо выбрасывается, либо доокисляется при высоких температурах с использованием других известных катализаторов.

Ученые НИТУ "МИСиС", Королевского Технологического Университета (KTH) Швеции и института Общей и неорганической химии НАН Беларуси разработали новый простой одностадийный метод получения графен-металлических нанокомпозиций. В основу подхода лег метод горения в растворах (solution combustion synthesis, SCS).

Главной особенностью метода является подбор исходных компонентов так, чтобы при их нагреве до определенной критической температуры начиналась экзотермическая реакция горения - реакция с выделением большого количества тепла, позволяющая очень быстро разогреть смесь компонентов. Такой метод синтеза может быть осуществлен в считанные минуты. При этом за счет правильного подбора компонентов и их однородного смешение в растворе можно получать очень широкий спектр наноматериалов с необычными структурой поверхности и интересными свойствами.

"Мы имеем в распоряжении очень мощный инструмент для создания наноматериалов с широким набором характеристик. Адаптивность и универсальность метода синтеза, который мы используем, позволяет нам точечно регулировать параметры процесса для получения наноструктур, наиболее подходящих для конкретной области их применения. В данном случае мы научились синтезировать композитные 2D структуры на основе графена. Однако, мы полагаем, данный метод может быть также использован для получения и других 2D материалов", - комментирует один из авторов работы, к.т.н., ведущий эксперт НИЦ "Конструкционные Керамические Наноматериалы" НИТУ МИСиС и исследователь на кафедре "Коррозии и поверхностных явлений" Королевского Технологического Университета (Швеция) Александр Хорт.

Авторы исследования установили, что полученные ими графен-металлические нанокомпозиты по сути являются тонкой графеновой матрицей, в которой равномерно распределены наноразмерные зерна металлов. Такое сочетание приводит к тому, что нанокомпозит в целом обладает очень высокой удельной поверхностью, доступной для взаимодействия с окружающей атмосферой. При этом каталитические активные зерна металла могут свободно принимать и передавать электрический заряд, ускоряя и усиливая процесс катализа. Это приводит к тому, что полное окисление CO достигается уже при 150 ?С (против 180-200 ?С у аналогов).

Результаты исследования могут быть использованы для создания эффективных катализаторов процессов химической и металлургической промышленности, что может сделать производство более экологичным. Кроме того, дальнейшее исследование возможностей метода синтеза является потенциальным ключом для создания ряда иных, помимо графена, 2D-наноматериалов.

Справка о НИТУ "МИСиС"

НИТУ "МИСиС" - один из наиболее динамично развивающихся научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ "МИСиС" также представляет собой полноценный научный центр. Университет занимает ведущие позиции в мире в предметных рейтингах THE, QS и ARWU сразу по 16 направлениям, входя в топ-100 в категориях "Инжиниринг-Горное дело" (рейтинг QS) и "Инжиниринг-Металлургия" (рейтинг ARWU), в области материаловедения НИТУ "МИСиС" в группе 101+ лучших вузов (рейтинг QS).

Стратегическая цель НИТУ "МИСиС" к 2020 году укрепить лидерство по направлениям специализации: материаловедение, металлургия и горное дело, а также существенно усилить свои позиции в сфере био-, нанотехнологий и ИТ. В состав университета входит 10 институтов, 6 филиалов - четыре в России и два за рубежом. В НИТУ "МИСиС" учится более 20 000 обучающихся, среди них 26% - это студенты из 84 стран мира. В университете действуют более 30 научно-исследовательских лабораторий и 3 инжиниринговых центра мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. НИТУ "МИСиС" успешно реализует совместные проекты с крупнейшими высокотехнологичными компаниями России и мира.