Учёные химического факультета Томского государственного университета разработали фундаментальные основы создания новых катализаторов с моноатомными и кластерными структурами. Особая структура материала позволяет в разы снизить количество активных дорогостоящих компонентов – палладия, золота, платины, иридия, но при этом обеспечить более высокую активность. Лабораторные образцы показали высокую эффективность в реакции восстановления высокотоксичных веществ – нитроароматических соединений при комнатной температуре и атмосферном давлении. Результаты исследований опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials (Q1). Проект реализуется при поддержке РНФ.
– Весь мир стремится создавать новые наноматериалы с улучшенными функциональными свойствами. В области каталитических материалов устойчивым научным трендом является разработка одноатомных катализаторов. Активный компонент в них содержится не в виде наночастиц, а в виде отдельных атомов (single-atom), – говорит руководитель проекта, заведующий научно-исследовательской лабораторией пористых материалов и сорбции химического факультета ТГУ Григорий Мамонтов. – В рамках нашего проекта мы разрабатываем фундаментальные основы, которые будут использоваться для создания линеек катализаторов под решение конкретных задач экологической направленности.
Как отмечает учёный ХФ ТГУ, наиболее активными в окислении летучих органических соединений являются катализаторы на основе нанесённых благородных металлов, в первую очередь, палладия и платины. Их использование ограничено высокой стоимостью, а разрушение катализаторов в условиях каталитических процессов приводит к безвозвратной потере этих дорогостоящих металлов.
– Задачу создания катализаторов на основе благородных металлов с высокой активностью, но при этом с пониженной стоимостью можно решить двумя путями. Первый вариант – использование очень малых содержаний металлов, стабилизированных в моноатомных и кластерных состояниях. Для этого нужно придумать и организовать такую структуру, в которой атомы активного вещества будут стабильны и обеспечат материалу необходимые каталитические свойства, – объясняет Григорий Мамонтов. – Второй путь – комбинирование платиновых металлов с другими, более доступными металлами, в частности, серебром и железом с получением соответствующих биметаллических структур. Это обеспечивает синергетический эффект за счёт совместного действия двух металлов. Мы используем оба подхода в разработке новых катализаторов.
Свою теорию химики ТГУ проверили на практике. Они испытали линейку из шести катализаторов, созданных на основе оксидов CeO2 и Fe2O3. В качестве активных компонентов использовались иридий и серебро.
Тестирование каталитических материалов проводилось в реакции восстановления нитроароматических соединений, это одни из наиболее стойких вредных органических загрязнителей. Такие соединения встречаются, в первую очередь, в воде, использованной фармацевтическими, лакокрасочными, химическими и другими промышленными предприятиями.
– Нитрофенолы широко используются в промышленности как промежуточные соединения в синтезе более ценных соединений – аминов. Стабильное и водорастворимое вещество 4-нитрофенол является основным загрязнителем сточных вод при производстве лекарств, фунгицидов, инсектицидов и красителей, – добавляет Григорий Мамонтов. – Это вещество также оказывает токсическое воздействие на организм человека. Таким образом, разработка методов нейтрализации 4-нитрофенола является важной задачей.
Катализаторы превращают вредное вещество в амины, которые, напротив, полезны и могут использоваться во многих отраслях промышленности – лакокрасочной, фармацевтической, косметической.
Другая точка приложения разработанных фундаментальных основ – трансформация производства аминов. Сейчас их получают в достаточно «жёстких» условиях – при высоких температуре и давлении, что требует больших финансовых и энергетических затрат. Подходы, предлагаемые химиками ТГУ, соответствуют принципам «зелёной» химии и позволят сделать это в гораздо более «мягких» условиях – при комнатной температуре и атмосферном давлении.
Значимым результатом проекта является то, что химикам за счет особой структуры и комбинирования платиновых металлов с более доступными металлами, в частности, железом и серебром, удалось добиться синергетического эффекта. Он выражается том, что при снижении количества активного дорогостоящего вещества, например, иридия, эффективность катализатора не снижается, а наоборот, повышается.
Добавим, что фундаментальные основы создания новых катализаторов с моноатомными и кластерными структурами, разработанные химиками ТГУ, позволят решать практические задачи, нацеленные на обеспечение безопасности общества и улучшения качества жизни людей. Нейтрализация летучих органических соединений имеет большое значение и в других стратегических областях. Например, важной задачей является очистка воздуха в замкнутых или плохо проветриваемых помещениях, таких как подземные парковки.