Просмотр исходного текста страницы СКИФ для катализа: показать все, что скрыто

[[Файл:Бухтияров Андрей.jpg|left|500 px|center]]

''Из школьного курса химии хорошо известно, что катализаторы — это вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются. Без катализаторов невозможно существование химической промышленности, в том числе нефтепереработки и нефтехимии, фармацевтики, природоохранной деятельности и других отраслей. Для создания новых катализаторов необходимы фундаментальные исследования, и многие из них невозможны без методик с использованием синхротронного излучения. Об одном из таких исследований рассказывает '''Андрей Бухтияров, к.х.н., заведующий отделом синхротронных исследований СКИФ, координатор разработки и создания станции СКИФ "Электронная структура"'''.''

В последнее время уделяется большое внимание исследованию так называемых биметаллических катализаторов: во многих реакциях они проявляют более высокую каталитическую активность по сравнению с катализаторами на основе одного металла. Вместе с тем до сих нет точного ответа, за счет чего достигается такой эффект.

В рамках одного из исследований, которые проводятся в нашей лаборатории, мы изучаем каталитические системы, содержащие палладий и золото. Подобные катализаторы уже применяются в промышленности, например, для синтеза этилацетата (используется в лакокрасочной промышленности, фармацевтике, для производства типографских чернил, смол, восков и растворителей) и перекиси водорода. Цель нашего исследования – определить параметры катализатора палладий-золото, которые обеспечивают максимальную эффективность каталитического процесса.

'''Создать модель и пройти конкурс'''

На первом этапе работы мы разработали методику приготовления модельных биметаллических катализаторов. На поверхность пиролитического графита, который представляет из себя углеродную пластину с атомарно гладкой поверхностью, особым образом напылили наночастицы палладия и золота определенного размера и плотности. При нагревании этих частиц происходит образование сплава, то есть формируется биметаллический катализатор. При этом необходимо правильно выбрать температуру прогрева, поскольку есть риск получить крупные частицы на поверхности, что приведёт к снижению каталитической активности образца. Тем более в таком случае имеет место неоправданный расход драгоценных металлов.

Параллельно с созданием модельного катализатора, наша команда активно участвовала в подаче заявок на проведение экспериментов в различных центрах синхротронных исследований за рубежом. 
Такие заявки включают в себя цели, задачи исследования, имеющийся задел, а также их значение для мировой науки. Далее заявка рассматривается экспертным советом центра, который дает ему оценку и определенный рейтинг. 

На тех станциях, которые нужны нашей группе, конкурс обычно составляет один лот пучкового времени к шести заявкам, на некоторых станциях конкурс достигает значения один лот к десяти заявкам. 
Если совет высоко оценивает вашу заявку, то вы получаете примерно неделю времени на исследование. Если заявку не поддерживают, вы на полгода остаётесь без возможности проведения необходимых экспериментов (такова частота конкурсов).

В России подобные исследования нам делать пока негде. Справедливости ради отмечу, что приборного времени на синхротронах не хватает вообще всем исследовательским группам в мире.

Мы выиграли ряд конкурсов на проведение исследований в центре синхротронных исследований BESSY II (Германия) в 2014-2020 годах, где и изучали в том числе паладий-золотые катализаторы.

'''СИстемная проверка'''

С помощью метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на BESSY II мы изучали процессы, происходящие на поверхности нашего модельного катализатора: изменение химических состояний, состава, соотношение металлов. Эксперименты подтвердили, что приготовленные катализаторы действительно биметаллические, поэтому корректно их дальнейшее изучение.

Таким образом, мы прошли первый важный этап - установили условия формирования сплавных катализаторов с необходимыми нам характеристиками.

На втором этапе мы проводили изучение приготовленных модельных биметаллических катализаторов в условиях протекания реакции окисления угарного газа. Эта тестовая реакция позволяет оценить работоспособность катализатора, определить условия, в которых он проявляет активность. Исследования катализаторов непосредственно в ходе реакции очень важны, так как их состояние до и после реакции может сильно отличаться от того, которое формируется в процессе протекания реакции. Такой режим называется in situ.

Мы выяснили, что воздействие реакционной среды приводит к дезактивации катализатора "палладий-золото" в низкотемпертурной области. При этом происходит перераспределение металлов на поверхности наночастиц. Каталитическую активность он проявляет при температурах выше 150°С. Максимальная активность достигается в диапазоне температур 200-250 С. Отмечу, что эффекты дезактивации наблюдались для катализаторов, в которых палладия было больше, чем золота.

Подобные эксперименты с катализатором, содержащим меньшее относительно золота количество палладия, показали, что в таком случае он становится более стабильным: реакция протекает в низкотемпературной области — ниже 100° С. Такая информация является ценной при синтезе промышленных катализаторов, ведь чем ниже температура, тем ниже энергопотребление и конечная себестоимость каталитического процесса. 
Таким образом, мы выяснили, что изменение соотношения металлов повышает стабильность, а значит и эффективность биметаллического катализатора. На данный момент эти закономерности продемонстрированы для тестовой реакции, но мы продолжаем работу по этому направлению. На следующем этапе мы планируем исследовать такие катализаторы в более сложной реакции, для которой существует несколько возможных маршрутов образования конечных продуктов.

Полученные результаты были опубликованы в целом ряде престижных международных журналов: Faraday Discussions, Journal of Physical Chemistry и Applied Surface Science и др.

'''Исследования на СИ — незаменимая методика в катализе'''

Дело в том, что нам необходимо изучать именно поверхность катализатора, поскольку только она участвует в реакции. Для этого требуется энергия в диапазоне 150-300 эВ, а на лабораторных трубках она составляет 1200 эВ и выше. При использовании таких приборов глубина анализа поверхности существенно выше, и вы получаете ворох лишней информации с более глубоких слоёв поверхности катализатора, которые не участвуют в каталитической реакции. На синхротроне можно постепенно изменять глубину анализа и, если необходимо, смотреть все глубже и глубже. Не говоря уже о том, что в отличие от синхротронного излучения, в лабораторных условиях измерение поверхности образца проходит гораздо медленнее и разрешение существенно ниже.

На СКИФ заложены широкие возможности для исследования различных каталитических систем. Реализация этого проекта позволит сделать более доступными синхротронные исследования для российских ученых.

''Фото Анны Ершовой''