Отдельные атомы платины превратили в промышленный катализатор
Группа американских ученых из Унивеситета Тафтса и Национальной лаборатории Ок-Ридж разработала новый платиново-медный катализатор гидрирования непредельных углеводородов, представляющий собой отдельные атомы платины на медной подложке. Полученные катализаторы обладают высокой активностью и низкой себестоимостью. Исследование опубликовано в Nature Communications.
Катализатор был получен в ходе многостадийного синтеза. Сперва исследователи восстановлением боргидридом из нитрата синтезировали на поверхности оксида алюминия наночастицы меди, а затем поместили полученные образцы в атмосферу водорода при 250°С (для того, чтобы убедиться, что вся медь находится в восстановленном состоянии), и на последнем этапе использовали метод гальванического замещения для введения малых количеств платины в наночастицы.
Синтезированные образцы ученые изучили методом сканирующей туннельной микроскопии и обнаружили, что полученные частицы представляют собой наночастицы меди, на которых расположены изолированные одиночные атомы платины. Авторы исследовали процесс диссоциации водорода на катализаторе и выяснили, что даже при температуре 85 Кельвин атомы платины способны разделять молекулы водорода, благодаря чему частицы способны эффективно катализировать реакции гидрирования.
Далее ученым предстояло выяснить, гидрирование какого именно вещества катализатор способен эффективно ускорять. Они определили, что наиболее эффективно и селективно катализатор выполняет свою роль в ходе реакции восстановления бутадиена до бутена. Испытания катализатора в промышленных условиях (высокие температура и давление) показали стабильную работу без деградации в течение продолжительного времени.
Бутадиен получается в результате каталитического крекинга и часто является загрязнителем в пропене, использующемся для получения полипропилена (полимера, использующегося для изготовления упаковочных пленок, труб и даже пластиковых стаканчиков). Сейчас для удаления бутадиена из смеси его подвергают каталитическому гидрированию на палладиево-серебряном катализаторе.
По словам авторов, обычно разработка катализатора происходит методом проб и ошибок. Данное исследование представляет собой результат семилетней совместной работы различных групп ученых, в результате которой команда разработала фундаментальный подход к разработке новых катализаторов. Вооруженные этими знаниями авторы рассчитывают создать множество различных одноатомных катализаторов на оксидных и углеродных поверхностях.