Наличие внутри углеродной нанотрубки (УНТ) полости, в которой может уместиться многоатомная молекула, позволяет рассматривать этот объект как сверхминиатюрный химический реактор, используемый для синтеза новых химических соединений.

Преимущества такого подхода к химическому синтезу связаны с возможностью концентрации реагентов и катализатора в ограниченном объеме, а также с изоляцией реагентов от внешнего воздействия. Эффективность данного метода синтеза продемонстрирована недавно группой исследователей из Академии наук Китая (X.Pan et al. Nature Materials 6, 507 (2007).), которым удалось осуществить внутри УНТ синтез этилового спирта.

В качестве катализатора использовались наночастицы Rh and Mn с добавлением Li и Fe с поперечным размером 1–2 нм, которые (в результате использования капиллярных сил при ультразвуковой обработке и перемешивании) вводились (в весовом отношении 1:1:0.075:0.05) в полость многослойных УНТ, имеющих внутренний диаметр 4–8 нм и длину 250–500 нм. Наблюдения показывают, что около 80% наночастиц были распределены внутри каналов УНТ, в то время как остальная часть находилась на внешней поверхности нанотрубок.

Для сравнения аналогичный катализатор был изготовлен с использованием в качестве основы SiO₂. Сравнение показывает, что выход этанола при использовании реактора на основе УНТ (84,4 моль моль^-1Rh час^-1) примерно вдвое превышает соответствующую величину для SiO₂. При этом использование реактора на основе УНТ в течение 180 часов не привело к сколько-нибудь заметной дезактивации.

Для установления характера влияния положения катализатора на скорость образования и выход этанола, было изготовлено два типа катализаторов, в одном из которых (RM-in-CNTs) смесь 5% Rh и 5% Mn помещали внутрь полости УНТ, в другом (RM-out-CNTs) – снаружи. Наблюдения показали, что свыше 75% частиц катализатора имели размеры 1–2 нм. Однако в процессе протекания химической реакции наблюдалась агрегация частиц, размер которых после 28 часов работы достигал 3–4 нм. Это сопровождалось снижением активности катализатора и скорости реакции, которая после 60 часов протекания реакции снизилась с 39 моль/час до 30 моль/час. После 112 часов работы размер частиц внутри нанотрубок увеличился до 4–5 нм, т.е. до размера внутреннего диаметра УНТ, в то время как частицы, расположенные снаружи УНТ, выросли до размера порядка 8 нм. Тем самым оказывается, что наличие стенок УНТ ограничивает агрегацию частиц катализатора и позволяет сохранить их активность в течение длительного времени.

Автор: А.В.Елецкий