Специалисты ФИЦ «Институт катализа СО РАН» предложили новый подход к синтезу ценных для химической промышленности и энергетики компонентов — нанодисперсных керамических материалов на основе церия и циркония со структурой пирохлора. Синтез проводят с помощью углеродной оболочки, или «шубы». Этот метод позволяет стабилизировать размер частиц оксида и предотвращает их спекание в процессе высокотемпературного приготовления. Высокая удельная поверхность и кислородная емкость материала делает его потенциально востребованным в различных каталитических приложениях.
Пирохлор — строго упорядоченная кубическая кристаллическая структура, где катионы церия и циркония, а также кислородные вакансии занимают фиксированные позиции (в тетрагональной фазе эти элементы расположены хаотично). Это определяет его уникальные свойства в плане эффективности запасания кислорода (OSC, Oxygen Storage Capacity) и скорости диффузии за счет упорядоченных вакансий. Высокая удельная поверхность делает OSC-отклик материала очень быстрым. Материалы со структурой пирохлора используют как в альтернативной энергетике, металлургии, электронике, так и в катализе, например, автомобильном.
Несмотря на большую площадь поверхности, эффективность церия для хранения кислорода в тетрагональной фазе аналогичного состава ограничена из-за статистически случайного распределения атомов циркония и церия в кристаллической структуре. При типичных условиях работы катализатора для нейтрализации выхлопов бензинового двигателя она обеспечивает лишь около 60 % эффективности использования церия, в то время как для структуры на основе пирохлора этот показатель достигает почти 98 %.
Для получения материалов с содержанием фазы пирохлора не менее 50 % необходимы высокие температуры 1300 –1400 °C и длительное время. При этом удельная поверхность синтезированного традиционным методом материала составляет менее 1 м2/г — это делает его непригодным для большинства каталитических применений. Большинство исследователей проводят подобный процесс при 1200 °C и ниже для получения фазы пирохлора, балансируя между содержанием фазы пирохлора, определяющей эффективность по кислородной емкости, и удельной поверхностью.
Ученые Института катализа СО РАН впервые продемонстрировали возможность синтеза материала со структурой пирохлора с помощью углеродной оболочки, или «шубы», при температурах 1400 °C с содержанием фазы не менее 60 % и удельной поверхностью 74 м²/г — в 70 раз больше по сравнению с традиционным методом. Оболочка наносится на частицы во время прокаливания и формирует несколько слоев углерода на них, что позволяет предотвратить спекание и улучшить кислородную проводимость.
«Методика требует тщательного подбора условий формирования углеродной оболочки — если найдутся хотя бы небольшие участки соседних частиц, не закрытых углеродной оболочкой, то такие частицы неизбежно начнут спекаться во время синтеза, уменьшая дисперсность материала. Высокодисперсные материалы пирохлорового типа как раз интересны для катализа благодаря своим уникальным свойствам в отношении запасания кислорода и скорости диффузии», — рассказывает старший научный сотрудник Отдела материаловедения и функциональных материалов ИК СО РАН, к.ф.-м.н. Владимир Стояновский.
В планах ученых — исследовать каталитические свойства пирохлоров, модифицированных металлами платиновой группы, в процессах полного окисления.