Ученые придумали, как сделать платину более доступным катализатором: превратить ее в низкотемпературную жидкость.
Уже много веков известно, что благородные металлы, такие как платина, золото, рутений и палладий, являются отличными катализаторами химических реакций, поскольку они помогают разрушать химические связи между атомами более эффективно, чем другие металлы.
Но благородные металлы редки и дороги, поэтому крупные промышленные предприятия обычно выбирают более дешевые и менее эффективные альтернативы, такие как железо (например, железо используется в качестве катализатора при массовом производстве удобрений).
Недостатком использования катализаторов более низкого качества является то, что химические реакции необходимо нагревать до высоких температур, что увеличивает углеродный след многих промышленных процессов.
Рекордное достижение — исследователи из UNSW Sydney и RMIT в Австралии растворили платину в жидком галлии, расщепив атомы платины таким образом, что в меньшем количестве платины оказался больший каталитический потенциал.
Обычно температура плавления платины составляет 1 700 °C (3 092 градуса по Фаренгейту), что означает, что при использовании в качестве катализатора она обычно представляет собой твердое вещество.
При введении платины в матрицу галлия она принимает температуру плавления галлия — мягкого, серебристого и нетоксичного металла, который плавится в основном при комнатной температуре 29,8 °C. Одним из полезных свойств жидкого галлия является то, что он растворяет металлы (подобно тому, как вода растворяет соль и сахар) путем разделения отдельных атомов в каждой молекуле.
По словам исследователей, изобретение может помочь сэкономить на энергозатратах и снизить выбросы в промышленном производстве.
"Ряд важных химических реакций можно проводить при относительно низкой температуре с использованием более эффективного катализатора, такого как жидкая платина", — говорит ведущий автор и инженер-химик Мд. Арифур Рахим из UNSW Sydney рассказал ScienceAlert.
Ученые пытаются сделать дорогие катализаторы из благородных металлов более доступными с помощью процесса "миниатюризации" с 2011 года, объясняет Рахим.
Когда металлы находятся в твердом состоянии, в реакциях могут использоваться только атомы, находящиеся снаружи, поэтому образуется много отходов. Если разбить это твердое тело на все более мелкие куски (подумайте о наночастицах), то реакция будет более эффективной, так как больше атомов металла могут участвовать в ней — много рук делают легкую работу.
В самой эффективной и самой маленькой системе каждый отдельный атом может выполнять работу катализатора.
"Когда вы миниатюризируете систему, вы максимизируете соотношение поверхности к объему и эффективность использования атомов, так что общее потребление катализатора со временем становится меньше, и это может сделать ваш продукт доступным", — говорит Рахим.
"Теоретически, максимальная эффективность катализатора достигается, когда он находится на атомном уровне, потому что вы не можете выйти за его пределы".
В одноатомных катализаторах связи, удерживающие катализатор вместе, расщепляются, и каждый атом по отдельности закрепляется в веществе, называемом матрицей.
Так, Рахим и его коллеги опробовали галлий в качестве матрицы. После растворения в галлии они обнаружили, что каждый атом платины отщепляется от каждого другого атома платины, что делает его идеальным миниатюрным катализатором.
"При растворении атомы платины пространственно рассредоточены в жидкой галлиевой матрице без атомной кластеризации (т.е. отсутствия связи платина-платина), что может приводить в движение различные каталитические реакции с поразительной массовой активностью", — пишут исследователи в своей работе.
Платина подвижна, когда она находится в жидкой матрице, и гораздо менее подвержена проблеме коксования, когда твердые катализаторы покрываются углеродом и нуждаются в очистке перед повторным использованием.
Галлий не так дешев, как железо. Но его можно использовать снова и снова для одних и тех же реакций. Это происходит потому, что, как и платина, галлий не дезактивируется и не разрушается во время реакции.
Процесс растворения платины в галлии требует повышения температуры примерно до 400 °C в течение нескольких часов. Но это одноразовое вложение энергии, которое позволяет сэкономить на последующих повышениях температуры в процессе химического производства, говорят исследователи.
Команда надеется, что их метод приведет к созданию гораздо более чистых и дешевых продуктов — от удобрений до экологически чистых топливных элементов.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Chemistry.
Comments are closed.