Наночастицы серебра и нитрид бора помогут избавить выхлопы от угарного газа

Российские химики из НИТУ «МИСиС» разработали новый гибридный катализатор для окисления угарного газа, состоящий из гексагонального нитрида бора и серебряных наночастиц. Этот материал позволяет добиться полной конверсии монооксида углерода всего при 194 градусах Цельсия. Пока это значение уступает рекордным показателям, однако в будущем температуру катализа планируется снизить за счет увеличения концентрации серебра в гибридном материале, пишут ученые в Journal of Catalysis.

Монооксид углерода (он же угарный газ) — один из наиболее вредных для человека газов, содержащихся в промышленных газовых выбросах. В частности, он образуется при сжигании топлива при работе двигателей внутреннего сгорания. Для избавления автомобильных выхлопов от монооксида углерода в выхлопной системе обычно используются каталитические конвертеры, которые за счет каталитических реакций окисляют его до нетоксичного углекислого газа. Однако из-за повышения эффективности современных двигателей, которое сопровождается уменьшением температуры выхлопных газов, катализаторы резко теряют эффективность, в результате чего содержание угарного газа в них повышается.

Для борьбы с этим эффектом химики активно ищут новые типы катализаторов для окисления CO, которые могут работать и при относительно невысоких температурах — в районе 150–200 градусов Цельсия. Например, недавно американские исследователи получили катализатор для окисления угарного газа на отдельных атомах платины, распределенных по поверхности оксида церия. Некоторые материалы позволяют окислять CO с более низкой степенью конверсии и при температурах ниже 100 градусов.

Группа ученых из России и Австралии под руководством Дмитрия Штанского (Dmitry V. Shtansky) из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» нашла новый эффективный катализатор, который можно использовать для конверсии угарного газа. Ученые показали, что для этой цели перспективны гибридные материалы на основе гексагонального нитрида бора и серебряных наночастиц. Аналогичные материалы, в которых нитрид бора служил матрицей-носителем для металлических наночастиц катализатора, уже предлагали использовать в том числе и для окисления угарного газа, однако раньше в качестве металлов выбирали в первую очередь золото и платину.

Оказалось, что эффективным катализатором могут быть гибридные материалы и с более дешевыми серебряными наночастицами. Для их получения химики использовали реакцию разложения нитрата серебра под действием ультрафиолета в растворе полиэтиленгликоля. Такой подход позволяет получить монодисперсные частицы серебра размером до 10 нанометров, которые равномерно осаждаются на поверхность слоистого нитрида бора и на полимерную матрицу полиэтиленгликоля.

Наиболее эффективным с точки зрения катализа оказались материалы с максимальной концентрацией серебряных наночастиц, которая составила около 1,4 процента по массе. Такой гибридный катализатор позволяет окислять угарный газ до углекислого при температуре 194 градусов Цельсия. Этот показатель пока далек от рекордных значений, однако по словам авторов работы, в будущем температуру работы катализатора можно снизить за счет увеличения концентрации наночастиц серебра, в частности, за счет перевода их из полимерной матрицы на нитрид бора.

Тем не менее, ученые отмечают, что и текущие параметры катализаторов позволяют использовать их уже сейчас, например, для систем очистки вредных выбросов на заводах. В будущем за счет снижения температуры конверсии угарного газа подобные материалы, вероятно, можно будет применять и для снижения доли монооксида углерода в автомобильных выхлопах.

Если для очистки вредных выбросов актуальна разработка катализаторов для окисления угарного до углекислого, то для решения других технологических и экологических проблем активно разрабатываются катализаторы и для других газовых реакций: например, разложения метана или восстановления углекислого газа до углеводородов. Подробнее о наиболее важных проблемах современного гетерогенного катализа вы можете прочитать в интервью с британским химиком Грэмом Хатчингсом.

Александр Дубов