Перовскиты продлили жизнь платиновым частицам в автомобильных катализаторах

Kothari et al. / Nature Chemistry, 2021
Британские
и
корейские химики
сумели
продлить жизнь платиновым катализаторам
для очистки автомобильных
выхлопов. Они
сначала
ввели платину в решетку перовскита,
а
затем восстановили ее и получили
наночастицы, равномерное распределенные
по поверхности перовскита. В
результате катализатор стал не
только стабильнее,
но и эффективнее,
так как кислород из
перовскитной решетки усилил каталитическое
действие платины.
Результаты
исследования опубликованы
в журнале Nature
Chemistry.
Выхлоп
автомобилей содержит в себе одновременно
несколько
ядовитых газов:
это газообразные
углеводороды,
монооксид угдерода СО,
оксиды
азота NO
и
NO2.
Для
того чтобы эти вещества не попадали в
атмосферу, их пропускают через
каталитический конвертер. Очистка
включает
в себя несколько процессов
— окисление
монооксида
углерода и остатков газообразных
углеводородов,
восстановление
примесей оксидов азота
до
молекулярного азота N2
и
удаление
аммиака, который получается из
оксидов азота
в виде побочного продукта.
Лучшими катализаторами считаются благородные металлы — платина и палладий. Чаще всего в конвертерах используют катализатор из пористого оксида алюминия c добавками от половины до двух массовых процентов платины в виде наночастиц. Это позволяет экономить ценный металл и делать катализаторы дешевле. Однако, при высокой температуре платиновые наночастицы постепенно собираются в более крупные частицы и агломераты (этот процесс называют спеканием), от этого эффективность катализатора снижается. Поэтому чем старше автомобиль, тем больше вредных газов он выбрасывает в атмосферу.
Джон Ирвайн (John T. S. Irvine) из Сент-Эндрюсского университета и его коллеги из Южной Кореи и Великобритании попробовали продлить жизнь платиновых наночастиц, поместив их в другую матрицу — титанаты лантана со структурой перовскита.
Согласно плану авторов, платина сначала должна войти в решетку перовскита LaTiO3 в положение титана, а затем — восстановиться и выделиться в виде отдельной фазы наночастиц. Такие наночастицы будут равномерно распределены по поверхности материала и стабилизированы за счет связи с перовскитной матрицей. Однако ввести платину в состав решетки перовскита оказалось непросто — оксид платины PtO2 и другие родственные ему соединения нестабильны и при нагревании большая часть платины восстанавливалась, не успев войти в решетку перовскита. Для решения этой проблемы Ирвайн и его коллеги синтезировали промежуточную соль Ba3Pt2O7 — сами они назвали это методом Троянского Коня. Это соединение оказалось более стабильно и выдержало нагрев до 100 градусов Цельсия в атмосфере кислорода. Далее все пошло по плану — платина вошла в структуру перовскита в положение титана, а более крупный барий — в положение лантана. После нагревания полученного перовскита до 700 градусов в течение двенадцати часов вся платина перешла в степень окисления ноль и покинула решетку. Авторы протестировали два немного отличающихся составом перовскита— La0.4Ca0.3925Ba0.0075Pt0.005Ti0.995O3 (Pt-LCT) и La0.4Sr0.3925Ba0.0075Pt0.005Ti0.995O3 (Pt-LST). В результате остановились на Pt-LCT, который более однородный размер наночастиц платины — около пятнадцати нанометров.
Полученные композиты оказались отличными катализаторами: полная конверсия СО на Pt-LCT произошла уже при температуре 190 градусов Цельсия. В случае коммерчески доступного катализатора Pt-Al203, полной конверсии можно добиться только при температуре 220 градусов Цельсия. Конверсия других примесных газов тоже была в среднем на 20 процентов выше, чем у Pt-Al203 в тех же условиях. Причина такой высокой активности Pt-LCT — каталитическое действие поверхностного кислорода из перовскитной решетки, которое усилило действие частиц платины.
Стабильность платиновых наночастиц в новом катализаторе тоже оказалась лучше. После непрерывного нагревания Pt-LCT катализатора до температуры 800 градусов Цельсия в течение 350 часов средний размер платиновых наночастиц остался таким же, как и был — около пятнадцати нанометров. Активность катализатора тоже осталась практически неизменной, в то время, как Pt-Al203.в тех же условиях заметно потерял в активности — например, температура конверсии СО поднялась на тридцать градусов Цельсия.
Ирвайн
и его коллеги
предполагают, что новые
платиново-перовскитные
композиты можно будет использовать не
только в автомобильных фильтрах, но и
для
катализа других реакций.
В
начале года китайские
химики разобрались
в том,
как протекает реакция образования
водорода на катализаторе
из платиновых наночастиц в матрице
карбида молибдена. Авторы нашли
оптимальное количество платины в
композите и сумели получить водород
при рекордно
низкой температуре в 40
градусах Цельсия.
Наталия
Самойлова