20 июня 2022

Ученые Института катализа СО РАН разрабатывают катализаторы нового типа на основе металлических сплавов

Ученые ФИЦ Институт катализа СО РАН при поддержке Российского научного фонда исследуют реакционную способность многокомпонентных сплавов в синтезе углеродных наноматериалов для дизайна катализаторов нового типа. Результаты работы предполагается использовать для решения задач экологии, промышленности и водородной энергетики.

Многокомпонентные сплавы, или высокоэнтропийные сплавы (МКС) — это системы, которые содержат 4-5 и более металлов в сходных концентрациях. Они могут проявлять уникальные физические характеристики. В последнее время подобные системы вызывают большой интерес ученых в плане перспектив использования в ряде каталитических реакций и электрокаталитических приложений.

Научная новизна проекта состоит в том, что ранее такие сплавы не использовались для синтеза углеродных наноматериалов.

«Интересно, что в составе подобных сплавов есть никель, кобальт, железо — это те самые металлы, которые хорошо известны как катализаторы получения углеродных нанотрубок, нановолокон и т. д. Но до сих пор их не применяли для синтеза подобных материалов. Мы собираемся синтезировать такие сплавные системы, содержащие четыре, пять и более компонентов для того, чтобы изучить их способность превращаться в активные катализаторы синтеза углеродных наноструктур, в первую очередь — углеродных нановолокон», — рассказывает руководитель проекта, ведущий научный сотрудник Института катализа СО РАН к.х.н. Илья Мишаков.

Ведущий научный сотрудник Института катализа СО РАН Илья Мишаков

Многокомпонентные сплавы можно готовить разными способами. В проекте участвуют Институт неорганической химии СО РАН (Новосибирск) и Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск). Участники проекта будут использовать три способа получения МКС — термолиз многокомпонентных предшественников, совместный электрический взрыв проволок различных металлов/сплавов и механохимическое сплавление металлов.

Основная цель проекта — исследовать реакционную способность МКС в синтезе углеродных наноматериалов для создания нового типа закрепленных катализаторов. Когда сплав подвергается термической обработке в углеродсодержащей атмосфере, он диспергируется и это приводит к формированию активных частиц, которые обладают каталитическими свойствами. На активных сплавных частицах вырастают углеродные волокна. В результате процесса получается композитный материал, состоящий из углеродных нановолокон и МКС. Такие системы могут использоваться как катализаторы и иметь широкую область применения.

Ученые исследуют, каким образом новые катализаторы можно применять для адсорбции и гидродехлорирования хлорароматических соединений, к которым относится, например, трансформаторное масло. Также они могут использоваться для процесса селективного гидрирования ацетилена в этилен. Эта часть работы будет осуществляться в Центре новых химических технологий ИК СО РАН в Омске. Наконец, катализаторы на основе МКС могут быть перспективны для процессов химического запасания водорода с использованием жидких органических носителей.

Для процессов гидродехлорирования и гидрирования часто используются катализаторы на основе драгоценных платиновых металлов. Ожидается, что новые системы станут более доступной альтернативой.

«Драгоценные металлы типа палладия можно заменить набором очень дешевых — никелем, железом, хромом и т.д. в разных комбинациях. Они могут дать значимый положительный эффект, работая вместе. Мы ищем комбинации металлов, которые бы работали более слаженно в «команде», обеспечивая такую же активность, как и драгметаллы, а возможно и более высокую», — отмечает руководитель проекта.