Если предыдущая публикация цикла была вводной, мы беседовали с известным специалистом в области химической физики Кевом Салиховым, говорили о том, что представляют из себя нанотехнологии в чистом виде, каков научный потенциал Республики Татарстан в этой области, то на этот раз тема более узкая: нанокатализаторы.

Анастас Ахметович Бухараев, родился 24.08.1948. Заведующий лабораторией Казанского физико-технического института КазНЦ РАН. Специалист в области физики и химии поверхности. Основные направления научных исследований — исследование поверхности твердых тел и наноструктур методами сканирующей туннельной, атомно- и магнитно-силовой микроскопии, модификация поверхности ионными и лазерными пучками. Автор более сотни научных статей, 8 изобретений и патентов. Заслуженный деятель науки РТ.

Что такое нанокатализаторы и где их применяют?

Начнем с определения, чтобы понять, о чем пойдет речь. Катализ — это явление, в котором инородный материал, названный катализатором, присутствуя в относительно малом количестве и не расходуясь, значительно увеличивает скорость химической реакции.

Катализаторы широко используются в химических технологиях, например, при производстве автобензина и дизельного топлива, полиэтилена и каучуков, для очистки нефти и промышленных газов от вредных соединений серы, для снижения токсичности выхлопных газов автомобильного транспорта и прочее.

В последнее время интенсивно ведется поиск новых эффективных катализаторов, в частности, для их использования в водородных топливных элементах при получении электроэнергии.

Не случайно Нобелевская премия по химии за 2007 год была присуждена немецкому ученому Герхарду Эртлю (Gerhard Ertl), который, исследуя химические процессы на твердых поверхностях, внес значительный вклад в понимание природы катализа.

Сравнительно недавно было обнаружено, что если катализатор приготовить в виде сверхмаленьких частиц с размерами от 1 до 100 нм (наночастиц), то эффективность такого нанокатализатора многократно возрастает. И обусловлено это не только увеличением активной поверхности катализатора, состоящего из наночастиц. В наночастице значительная доля атомов, образующих ее поверхность, находится в так называемом низкокоординированном состоянии, в котором они проявляют максимальную каталитическую активность.

Яркой иллюстрацией этого размерного эффекта является золото, которое в обычном состоянии, как известно, химически не активно. Но если из золота сделать нанокатализатор с размерами частиц около 3 нм, то с его помощью можно, например, эффективно окислять СО до СО2 (снижая, тем самым, токсичность выхлопных газов автомобилей). С помощью нанотехнологий удалось снизить расход благородных металлов, которые применяются в конверторах, очищающие автомобильные выхлопы, в 15−20 раз.

Союз физиков и химиков для создания новых эффективных нанокатализаторов

В последние годы у физиков появился новый эффективный метод исследования — сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). С его помощью можно не только «рассмотреть» на поверхности отдельные атомы и молекулы, но и изучать на атомарном уровне процессы физической и химической адсорбции, которые лежат в основе катализа. Особенно эффективен этот метод при изучении свойств наночастиц.

Казанские химики (в Казанском государственном университете им. Ульянова-Ленина и в Казанском государственном технологическом университете) уже давно успешно не только изучают, но и создают новые катализаторы. Эффективные электрокаталитические сенсоры на основе наночастиц палладия разработаны на кафедре аналитической химии КГУ.

Поэтому было бы вполне естественно объединить усилия физиков (с их уникальными экспериментальными возможностями) и химиков, умеющих синтезировать новые материалы, для решения актуальных задач по изучению и созданию новых нанокатализаторов. Уже имеются первые результаты совместных исследований нанокатализаторов казанскими физиками и химиками, в которых с использованием методов СЗМ и компьютерного анализа решается задача — при каком оптимальном распределении наночастиц по размерам можно достичь максимальной каталитической эффективности.

Металлы плат
иновой группы являются достаточно универсальными катализаторами. Однако вследствие их дороговизны, необходимо создавать катализаторы на основе 3d металлов, например, никеля и кобальта, которые в некоторых случаях могут успешно заменить платину и палладий во многих химических и электрохимических реакциях. В настоящее время в Казанском физико-техническом институте интенсивно ведутся исследования по созданию нанокатализаторов на основе 3d металлов. При этом, наряду с электрохимическим методом получения наночастиц используются и другие методы.

Недавно, например, с помощью электронного распыления мишени на поверхности графита в сверхвысоком вакууме были сформированы наночастицы кобальта со средним размером около 8 нм (фото № 1), которые проявили очень высокую каталитическую активность в реакции окисления этанола. Другая задача, которая решается в КФТИ, это создание нанокатализаторов, состоящих из углеродных нанотрубок, на которые химическим осаждением из растворов солей или путем термического испарения металла в вакууме осаждаются наночастицы металлов. Получены первые образцы нанокатализаторов (фото № 2), на основе которых был создан работающий макет водородно-кислородного топливного элемента для получения электроэнергии (фото № 3).

Анализ уже выполненных исследований дает основание считать, что при поддержке исследований по нанокатализу в Татарстане, ученые нашей республики с использованием современных нанотехнологий смогут получить новые и ценные для практической реализации результаты.

TatCenter.ru благодарит за помощь в подготовке материала Казанский физико-технический институт КазНЦ РАН им. Завойского, в частности директора института К.М.Салихова и зав. лабораторией А.А.Бухараева.