Сотрудники МГУ имени М. В. Ломоносова совместно с коллегами из ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) впервые получили и исследовали «корочковые» биметаллические катализаторы, синтезированные методом лазерного электродиспергирования. Новые материалы показали более высокую активность в важных реакциях нефтехимии и экологического катализа, чем монометаллические аналоги.

Результаты работы опубликованы в журнале ChemCatChem.

«Двойные» катализаторы, в структуре которых присутствуют каталитические центры двух металлов, позволяют проводить важные промышленные процессы в более мягких условиях. Ученые из ФТИ имени А. Ф. Иоффе РАН под руководством профессора, доктора химических наук Сергея Гуревича разработали метод лазерного электродиспергирования (ЛЭД), с помощью которого получили биметаллические катализаторы. Ученые химического факультета МГУ – ведущие научные сотрудники, доктора химических наук Татьяна Ростовщикова, Ирина Тарханова, Екатерина Локтева – впервые исследовали активность двойных катализаторов, синтезированных методом ЛЭД, в реакциях окислительно-восстановительного катализа: окислении угарного газа и серосодержащих компонентов нефти (реакции экологического катализа).

Ученые показали, что палладий-никелевый катализатор, нанесенный на оксид алюминия и содержащий всего 5×10^-3 масс. % металлов, в 6 раз более активен в окислении оксида углерода, чем монометаллический палладиевый, и в 26 раз активнее, чем известный золото-никелевый катализатор на том же носителе, но приготовленный стандартными методами и содержащий в 200 раз больше металла.

Биметаллический никель-вольфрамовый ЛЭД-катализатор в два раза активнее монометаллического вольфрамового и при этом значительно более устойчив в агрессивной реакционной среде: с помощью одной порции катализатора можно успешно превратить не одну-две, а пять и более порций реагентов. Более того, никель-вольфрамовые катализаторы способны проводить сразу два нефтехимических процесса – гидрообработку и окислительное обессеривание.

Лазерное излучение позволяет нанести на инертный носитель мельчайшие наночастицы металлов. Сначала мишень из выбранного металла подвергают лазерному воздействию: капли расплавленного металла заряжаются в плазме лазерного луча и начинают делиться на все более мелкие капельки, размер которых достигает единиц нанометров. Металлические капли получаются очень однородные – одинакового размера, чего невозможно достичь в растворе. Далее нанокапли падают на поверхность носителя. Для промышленных реакций хорошо использовать оксид алюминия или углеродный материал Сибунит.

Чтобы покрыть гранулы носителя со всех сторон, их встряхивают на держателе с помощью пьезокерамической пластинки. Так весь металл из мишени равномерным тонким слоем покрывает носитель, за что ученые и прозвали такие системы «корочковыми». Этим методом удается получать весьма эффективные катализаторы с очень низким содержанием благородных металлов (платины, палладия), что существенно снижает их стоимость по сравнению с теми, которые готовят традиционными методами «мокрой» химии (из водных растворов реагентов).

Российские ученые впервые попробовали приготовить с помощью лазерного электродиспергирования биметаллические катализаторы, для этого пришлось разработать новые способы. Для получения металлических капель лазером облучали мишень из сплава никеля и палладия или другие мишени, спрессованные из порошков палладия и вольфрама или палладия и молибдена. Оба варианта оказались удачными, ученые получили биметаллические катализаторы в обоих случаях.

«Когда нанесенные металлсодержащие катализаторы получают традиционными методами «мокрой» химии, часть металла может содержаться на поверхности каталитических частиц, а часть – в объеме и в порах носителя. При нанесении методом ЛЭД весь металл оказывается на внешней поверхности гранул носителя, он легко доступен для реагентов. Особенность наших ЛЭД-катализаторов в том, что мы наносим очень мало металла (10^-2-10^-3 масс. % и даже меньше). Исследованные нами системы показали активность не хуже, а во многих случаях даже лучше, чем традиционные катализаторы, содержащие от 0,5 до 5 масс. % благородных металлов. Следовательно, можно использовать в сто и даже в тысячу раз меньшие количества благородных металлов, но при этом не снизить, а сильно увеличить активность и стабильность их работы», – комментирует одна из авторов работы, ведущий научный сотрудник кафедры физической химии МГУ, доктор химических наук Екатерина Локтева.