19 октября 2021

Ученые Института катализа СО РАН расслаивают твердые растворы для создания эффективных экологических катализаторов

Ученые Института катализа СО РАН при поддержке Российского научного фонда изучают, как с помощью расслоения твердых растворов создавать эффективные катализаторы для окисления монооксида углерода и углеводородов. Такие системы могут стать более активными и дешевыми по сравнению с традиционными экологическими катализаторами на основе драгоценных металлов.

Стандартные катализаторы для окисления монооксида углерода и углеводородов, которые используются в автопроме, на ТЭЦ и промышленных предприятиях, изготавливаются на основе драгоценных металлов. Но такие соединения дорогие и не всегда обладают необходимой стабильностью и устойчивостью к компонентам вредных выбросов.

Твердые растворы — это тип кристаллических твердых веществ, где атомы разных химических элементов располагаются в одной кристаллической решетке в строгом порядке. Эти системы входят в состав сплавов, где может быть несколько видов твердых растворов и отдельные кристаллы химических соединений.

«Мы планируем разрабатывать катализаторы на основе переходных металлов, в том числе марганец-содержащих оксидов. Идея исследования заключается в том, чтобы создать катализатор на основе расслоенного твердого раствора — системы со строгим расположением атомов, где одни элементы можно заменять другими. В оксидную матрицу мы добавляем марганец, церий и кислород. Затем под действием различных условий через стадию активации мы пытаемся вытащить марганец на поверхность, в результате чего на поверхности родительской фазы образуются наночастицы оксида марганца. Мы предполагаем, что системы на основе расслоенного раствора будут иметь более высокую активность по сравнению с традиционными катализаторами», — рассказала руководитель проекта, старший научный сотрудник Института катализа СО РАН, кандидат химических наук Ольга Булавченко. 

Обычное нанесение наночастиц марганца на матрицу имеет ограничения.

«Оксиды марганца при температурной обработке спекаются. Если марганец выходит из объема твердого раствора, то он закрепляется вместе с ним — таким образом обеспечивается маленький размер частиц без спекания, то есть частицы не передвигаются свободно по поверхности и не агломерируются», — пояснила ученый. 

По словам Булавченко, синтез и исследование твердых растворов — актуальная тема в мировой научной литературе, но в Институте катализа СО РАН решили пойти от обратного. Ученые исследовали расслоенный твердый раствор и после циклов восстановления-окисления заметили, что каталитическая активность соединения возросла.

Изучать расслоенные растворы с замененными в них катионами ученые будут с помощью метода дифракции в режиме in situ, который позволяет следить за изменениями в структуре катализатора непосредственно в условиях каталитической реакции и активации, в том числе наблюдать за расслоением твердого раствора в режиме реального времени.