Атомы платины заставили окислять угарный газ при комнатной температуре

A. J. Therrien et al./ Nature Catalysis, 2018

Американские химики разработали новый состав катализатора для конверсии угарного газа, состоящий из атомов платины, распределенных по подложке из оксида одновалентной меди. Такой катализатор позволяет окислять угарный газ даже при комнатной температуре. Максимальный выход реакции, которого удалось достичь при температуре около 70 градусов Цельсия, не превышает 33 процентов, однако в будущем подобные катализаторы могут стать основой для нового поколения автомобильных конвертеров, пишут ученые в Nature Catalysis.

Для увеличения эффективности работы автомобильных двигателей инженеры стремятся уменьшить их энергетические потери и, соответственно, снизить температуру, при которой они работают. В результате процесс оптимизации работы двигателей привел к тому, что катализаторы, которые использовались в автомобильных конвертерах для окисления образующегося угарного газа и эффективно работали при высоких температурах, практически перестали справляться со своей задачей. Поэтому, чтобы заменить неэффективные катализаторы, химики пытаются найти такой материал, который мог бы окислять угарный газ до углекислого при температуре 200 градусов Цельсия и ниже.

Одним из наиболее перспективных типов катализаторов для такого процесса ученые считают катализаторы на отдельных атомах. В частности, в прошлом году исследователи из Китая и США предложили использовать для этого материал на основе оксида церия, по поверхности которого равномерно распределены отдельные атомы платины. Этот катализатор позволил снизить температуру окисления до 150 градусов Цельсия.

Теперь американские химики под руководством Чарльза Сайкса (E. Charles H. Sykes) из Университета Тафтса предложили использовать для окисления CO аналогичный катализатор, в котором по оксидной подложке распределены атомы платины, только в качестве подложки они использовали не оксид церия, а оксид одновалентной меди, Cu2O. Оказалось, что если на правильно ориентированной поверхности металлической меди сделать пленку из оксида меди(I), то после осаждения на нее отдельных атомов платины окислять CO до CO2 можно даже при комнатной температуре.

Чтобы изучить механизм окисления угарного газа на таком катализаторе, ученые адсорбировали на его поверхность молекулу CO при температуре жидкого азота, после чего начали медленно нагревать поверхность. Если изначально в таком эксперименте молекулы адсорбируются как на атомы платины, так и на оксид меди, то при повышении температуры выше −100 градусов Цельсия угарный газ остается только на платине. После этого между собой конкурируют два процесса: десорбция угарного газа в своей первоначальной форме и окисление молекулы до углекислого газа и ее последующий отрыв от поверхности с образованием в оксидной пленке кислородной вакансии.

Эффективность работы катализатора основана именно на возможности образования в структуре оксида кислородных вакансий вблизи атомов платины. При повышении температуры вероятность их формирования увеличивается, достигая максимума в 33 процента при температуре около 70 градусов Цельсия.

Оценить эффективность конверсии можно и по количеству атомов платины, находящихся после десорбции газов с поверхности непосредственно вблизи кислородных дефектов. Например, в случае максимального выхода реакции таких атомов платины оказалось 42 процента.

Авторы работы отмечают, что после отрыва молекул углекислого газа от поверхности катализатора, он дезактивируется. По мнению химиков, это значит, что атомы платины, которые остаются на поверхности, в результате диффузии перемещаются в подповерхностный слой.

По словам ученых, предложенный ими катализатор вряд ли будет когда-либо использован в промышленных разработках. Однако во-первых, результаты работы показали, что катализаторы для конверсии угарного газа могут работать при комнатной температуре, а во-вторых, был детально изучен механизм каталитической реакции, что поможет при разработке новых материалов в будущем.

Другая важная химическая реакция, для которой ученые разрабатывают эффективные катализаторы — восстановление атмосферного углекислого газа до полезных продуктов, которые можно потом использовать в качестве топлива: спиртов или углеводородов. Например, недавно ученые получили катализатор на основе меди, который позволяет селективно восстановить углекислый газ до этилена с выходом в 99,5 процента. А другая группа ученых придумала материал, с помощью которого можно эффективно восстановить углекислый газ, растворенный в воде, до этанола.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.