Химики из Массачусетского технологического института (США) разработали новый класс наноматериалов, позволяющий уменьшить зависимость индустрии, в том числе и национальной, от драгоценных металлов, например, платины. Результаты исследования опубликованы в журнале Science. Его авторы рассказали «Ленте.ру» о своей работе.
Благородные (драгоценные) металлы, к которым относятся платина, золото, серебро, палладий, рутений, родий, осмий и иридий, у большинства людей ассоциируются с ювелирными украшениями или инвестициями. На самом деле больше половины добываемых драгметаллов идет на производство каталитических конвертеров, установленных в выхлопных системах автомобилей, используется в качестве катализаторов в нефтеперерабатывающей и химической промышленности, а также в топливных элементах, представляющих собой электрохимическиe генераторы, которые за счет химической реакции преобразовывают топливо (чаще всего водород) и кислород в электричество.
Катализаторы ускоряют химические реакции, но не расходуются в процессе реакции. В индустрии при производстве приблизительно 90 процентов всех химических веществ используются катализаторы. И они дорогостоящие, поскольку в их составе обычно имеются драгоценные металлы, такие как платина или палладий.
Сфера применения топливных элементов непрерывно расширяется. Из космической отрасли они перекочевали в стационарные электростанции в качестве автономных источников тепло- и электроснабжения зданий, в двигатели транспортных средств в качестве источников питания ноутбуков и мобильных телефонов.
Масштабное применение топливных элементов, которое может обеспечить переход от традиционной энергетики к водородной, сейчас во многом ограничено высокой ценой на платину. Платина, нанесенная на углеродную поверхность, служит материалом для катода и анода, на которых собственно и протекают реакции с получением электричества. Но платина, как и другие драгоценные металлы, — один из самых редких химических элементов в земной коре. В настоящее время на планете насчитывается около одного миллиарда автомобилей, в основном оснащенных двигателями внутреннего сгорания. Если попытаться перевести даже половину этих автомобилей на топливные элементы вместо традиционных двигателей, при нынешнем уровне развития катализаторов запасы платины в земной коре исчерпаются в ближайшие 15 лет.
На долю России приходится 26 процентов добычи платиновых металлов. Это второй показатель в мире после ЮАР. Исчерпываемость и дороговизна ресурса заставляют искать надежную и эффективную замену. Исследование профессора Юрия Романа-Лешкова и его коллег из Массачусетского технологического института, включая россиянку Марию Милину (выпускница РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2010) — заметный прогресс в этой области.
Они нашли способ уменьшить в 10 раз содержание платины в катализаторах, при этом сохранив или даже улучшив их эффективность в разных химических процессах. Секрет в том, чтобы использовать так называемые «ядра-оболочки» (английское core-shell nanoparticles), которые представляют собой наночастицы, состоящие из недорогих керамических ядер, покрытых слоем драгоценных металлов толщиной в один атом. Это классический пример нанотехнологии, когда материал с заданной атомной структурой создается посредством контролируемого манипулирования отдельными атомами.
В химических реакциях участвуют только атомы на поверхности наночастиц (достигающие 2-10 нанометров в диаметре). Замена сердцевины, или «ядра», наночастиц на другой (более дешевый) материал позволяет на порядок снизить содержание драгоценных металлов в катализаторах, сохранив их каталитическую активность.
Различные виды самоорганизующихся монослойных наночастиц
Изображение: S.T. Hunt, et al., Science 2016
Многие пытались синтезировать «ядра-оболочки». Некоторые даже преуспели. Проблема в том, что для ядра использовали такие металлы, как железо, никель или медь. При высоких температурах, необходимых для большинства химических процессов, подобные наночастицы теряли структуру «ядро-оболочка», превращаясь в обычный сплав без выигрыша в каталитической эффективности.
Шон Хант, главный автор опубликованной в Science cтатьи, предложил идею использовать карбиды металлов в качестве ядра в наночастицах. Как говорит сам Шон, он всегда был большим поклонником карбидов, даже его обручальное кольцо сделано из карбида вольфрама, правда он самостоятельно покрыл кольцо слоем платины в лаборатории. Карбиды отличаются высокой твердостью, жаростойкостью и химической инертностью. Хотя они очень похожи по своей электронной структуре на платину, карбиды не смешиваются с ней даже при высоких температурах. При нагревании карбидов и платины до 900 градусов Цельсия они самоорганизуются в частицы с карбидным ядром и платиновой оболочкой.
Цена на драгоценные металлы за последние 25 лет
Изображение: MIT News
В опубликованной работе также показано, что взаимодействие платины с карбидным ядром позитивно влияет на платину, улучшая ее каталитические свойства по сравнению с обычными платиновыми частицами, которые в данный момент используются в индустрии в виде катализаторов. Разработанная технология позволяет менять размер наночастиц, а также химический состав ядра и оболочки. Таким образом свойства материалов могут оптимизироваться для разных химических процессов.
Химики продемонстрировали, что платина и рутений, нанесенные на карбид титана и вольфрама, — исключительный катализатор для топливных элементов, как тех, что работают на водороде, так и тех что используют метанол в виде топлива
Наночастица «ядро-оболочка»
Изображение: MIT News
Снижение содержания платины в катализаторах не только важно для будущего топливных элементов и водородной энергетики в целом, но также может значительно уменьшить цену и улучшить эффективность существующих технологий в нефтепереработке. Платину или палладий применяют в таких важных процессах для производства топлива и химикатов, как каталитический риформинг и гидрирование, а также при производстве серной и азотной кислоты.