Ученые Института катализа СО РАН изучают, как с помощью расслоения твердых растворов создавать эффективные катализаторы для окисления монооксида углерода и углеводородов.
Исследования проходят при поддержке Российского научного фонда. Стандартные катализаторы для окисления монооксида углерода и углеводородов, которые используются в автопроме, на ТЭЦ и промышленных предприятиях, изготавливаются на основе драгметаллов. Но эти 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, пояснила она:
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.
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.
Схема расслоения твердого раствора и роста конверсии CO