Атомы платины заставили окислять угарный газ при комнатной температуре
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
Размер бутылки повлиял на способность напитка оставаться игристым
Химики из Франции выяснили, что большие бутылки шампанского дольше сохраняют в себе достаточное количество углекислого газа, нужного для образования пузырьков. Ученые вывели теоретическую зависимость количества растворенного в вине углекислого газа от времени хранения и размера бутылки. А также смогли рассчитать время, за которое игристое вино в бутылках разного размера полностью выдохнется. Исследование опубликовано в журнале ACS Omega. Для производства игристых вин в уже приготовленное заранее из виноградного сока «тихое» вино добавляют дрожжи и сахар — в результате начинается брожение с образованием этанола и углекислого газа (в виноделии эта стадия подготовки вина называется prise de mousse). Обычно за два месяца процесс брожения заканчивается, и вино насыщается углекислым газом, а давление CO2 в бутылке вырастает до значений в шесть бар. После того, как вино получило свою долю углекислого газа, его обычно оставляют еще на несколько месяцев или лет. За это время оно приобретает новые оттенки вкуса и аромата за счет постепенного аутолиза клеток дрожжей и выделения разных веществ из их цитоплазмы в вино. Но одновременно с этим углекислый газ постепенно диффундирует через пробку, и давление газа в бутылке падает. Чтобы определить, насколько быстро этот процесс происходит и как его можно замедлить, химики из Реймсского университета под руководством Жерара Лиже-Белэра (Gérard Liger-Belair) решили построить теоретическую модель для предсказания скорости диффузии углекислого газа через пробки бутылок с вином. Для этого они выбрали по 13 больших (1,5 литра) и маленьких (0,75 литра) бутылок с шампанским возраста от 25 до 47 лет с одинаковыми пробками и формой горлышка. Затем они измерили давление углекислого газа в закрытых бутылках с помощью афрометра и его концентрацию в вине сразу после откупоривания пробки с помощью титрования. На основе полученных данных ученые рассчитали константу Генри для углекислого газа, растворенного в шампанском. Она связывает давление углекислого газа в бутылке и его концентрацию в жидкой фазе при равновесном состоянии системы. Константа оказалась равной 1,6 грамма на литр на бар. На основе полученных данных и считая углекислый газ в бутылке идеальным газом, химики вывели зависимость концентрации и давления углекислого газа в бутылке после процесса брожения от температуры, количества образовавшегося при брожении углекислого газа и соотношения объемов газообразной и жидкой фаз в бутылке. Затем ученые построили зависимость концентрации углекислого газа в бутылках вина от времени их старения и обнаружили, что несмотря на то что исходная концентрация CO2 после завершения брожения в разных бутылках по расчету должна быть практически одинаковой, скорость падения концентрации при старении сильно отличается для бутылок разного размера. То есть, шампанское в больших бутылках выдыхается значительно медленнее, чем в маленьких. Полученные зависимости химикам удалось описать с помощью первого закона Фика, связывающего градиент концентрации диффундирующего вещества с его диффузионным потоком. Построенная теоретическая модель предсказывала, что вино в больших бутылках теряет углекислый газ примерно в два раза быстрее, чем вино в маленьких бутылках — и это предположение подтвердилось измеренными ранее концентрациями. Далее на основе построенной модели химики оценили время, за которое вино в бутылках разного размера полностью выдохнется. Для бутылок объемом в 0,75 литра примерное время составило 40 лет, для полуторалитровых бутылок — 80 лет, а для двухлитровых — 130. Таким образом, химики выяснили, как зависит игристость вина от времени его старения и размеров бутылки, а также предсказали время жизни шампанского, разлитого по бутылкам разного размера. Ранее мы рассказывали о том, как пузырьки газа влияют на аромат и вкус шампанского.