Наноразмерные катализаторы

" Наноразмерные катализаторы"

наноразмерный катализатор наука

Нанокатализ является быстро развивающейся областью науки, которая включает использование наноматериалов в качестве катализаторов для различных процессов катализа. Катализ является одним из старейших методов, использующий наночастицы. Алюминий, железо, диоксид титана, глина, кварц — все они применялись в качестве катализаторов наноразмерной формы на протяжении многих лет.

Несмотря на то, что результаты научных исследований внесли значительный вклад в наше понимание фундаментального катализа, большинство современных коммерческих катализаторов по-прежнему производятся по методу «перемешивание-встряхивание-запекание» смеси нескольких компонентов, поэтому образование наноразмерной структуры в этих катализаторах проблематично, что приводит к малой эффективности этих веществ. Благодаря своим комплексам физико-химических свойств в нанометровом диапазоне, любые характеристики большинства коммерческих катализаторов оказываются неудовлетворительными. Нанокатализаторы имеют очень большую площадь поверхности, которая положительно влияет на скорость реакции.

Основной целью нанокаталитических исследований является производство катализаторов с 100% селективностью, чрезвычайно высокой активностью, низким потребление энергии и долгим срок службы. Это может быть достигнуто только путем точного контроля размеров, формы, пространственного распределения, состава поверхности и электронной структуры, термической и химической стабильности отдельных нанокомпонентов.

1.Гомогенный и гетерогенный катализы

Исследования нанокатализа переживают бурный рост в течение последних десяти лет в гомогенном и гетерогенном направлениях. Так как наночастицы имеют большое отношение площади поверхности к объему, по сравнению с сыпучими материалами, они являются привлекательными кандидатами для использования в качестве катализаторов.

В гомогенном катализе катализаторы используются в той же среде как и остальные реагенты: для наночастиц это может быть раствор или суспензий наночастиц в растворителе. Особенно часто используются в качестве катализаторов наноразмерные частицы переходных металлов. Коллоидные растворы наночастиц должны быть стабилизированы в целях предотвращения агрегации, а также иметь возможность переработки. Такие катализаторы являются являются очень эффективными, потому что большое количество атомов находится на поверхности наночастиц. Методы, которые используется для синтеза наночастиц переходных металлов в коллоидных растворах, очень важны для каталитических процессов. В ходе синтеза необходимо контролировать размер и форму образующихся наночастиц переходных металлов. Метод химического восстановления солей переходных металлов является наиболее широко используемым методом получения коллоидных растворов нанокатализаторов в гомогенном катализе. Есть четыре синтетических метода для подготовки коллоидных растворов, которые не так часто используется:

· тепловые, фотохимические

· восстановление лиганда металлорганического соединения

· получение наночастиц в процессе «испарение — конденсация»

· электрохимическое восстановление солей переходных металлов Стабилизация наночастиц в растворе необходима в целях предотвращения агломерации и агрегации. Для каталитических процессов, выбор стабилизатора играет важную роль в определении реакционной способности наноразмерных частиц. Хорошим стабилизатором является тот, который защищает наночастицы в ходе каталитического процесса, но не нейтрализует их поверхности, что может привести к потере каталитической активностью.

Другим вариантом, который часто считается более экологически чистым, является гетерогенный катализ. Он содержит катализатор, который находится в другой фазе относительно реагентов. Катализатор, как правило, находится в твердом виде или нанесён на твердую инертную матрицу, например в виде пасты. Такой метод позволяет обойти проблемы отходов и восстановления, т.к. твердый катализатор можно в большинстве случаев просто отфильтровать.

Много исследований было сделано, чтобы определить каталитический потенциал различных наночастиц, которые можно применить в гетерогенном катализе. Наиболее подходящими оказались наночастицы палладия, железа, золота, никеля и платины. Также рассматриваются варианты в диапазоне от кремния или алюминия до углеродных волокон.

Еще одна область гетерогенных нанокатализаторов которая была изучена — это твёрдые тела с наноструктурой или нанопористые тела. Подобные вещества могут быть изготовлены путем выращивания твердого материала вокруг молекулярного шаблона. Наноразмерные черты также могут быть выгравированы на поверхности катализатора с использованием стандартных методов литографии — это может улучшить степень контроля над потоком реагентов на поверхности катализатора, а также увеличить площадь поверхности.

2.Преимущества нанокатализа в химической промышленности

· Повышенная селективность и активность катализаторов, характеризуемая размерами пор и самих частиц

· Замена катализаторов из драгоценных металлов на наноразмерные катализаторы из более доступных материалов, что повышает химическую и реакционную способность и сокращает затраты

· Создание каталитических мембран с контролируемыми размером пор и характеристиками, которые могут удалить нежелательные молекулы из газов или жидкостей В виду высокого потенциала использования подобных материалов и огромной выгоды, которая может быть получена за счёт их применения, наноструктурированные катализаторы стали предметом пристального внимания учёных в последнее время. Множество заявок и патентов на новые виды нанокатализаторов были реализованы, что приводит к переходу химической промышленности на качественно новый уровень.

3.Важнейшие направления применения нанокатализаторов

1. Газификация биомассы для получения синтез-газа и пиролиз биомассы для производства биомасла Новый катализатор — наноразмерный NiO, нанесённый на матрицу г-Al₂O₃ толщиной 3 мм (Johnson Mathey Company) — снижает значительно содержание смол и увеличивает эффективность их удаления до 99%; значительное увеличение выхода газа; увеличение в составе синтез-газа легких фракций из H2 и CO, в то время как количество более тяжелых фракций СН₄ и CO уменьшается, тем самым повышается качество синтез-газа.

2. Производство биодизеля из отходов растительного масла Процесс: этерификация жирных кислот (СЖК) и переэтерификация триглицеридов в биодизельное топливо в одном реакторе. Катализатор: твёрдые кислоты Al_0,9H_0,3 PW₁₂O₄₀ в виде нанотрубок дают 96% биодизельного топлива из отходов растительного масла по сравнению с 42,6% с использованием обычного H₃ PW₁₂ O₄₀ катализатора.

3. Поизводство «зелёного» дизельного топлива с использованием синтеза Фишера-Тропша (ФСТ) Процесс: улучшение ФСТ технологии производства высокомолекулярного воска, с последующим гидрокрекингом, для получения жидкого топлива. Повышение эффективности использования остатков от угледобычи и реакторов с неподвижным слоем, используемых в ФСТ технологии.

Катализатор: наноразмерный порошок Fe и Co (10−50 нм) используются в качестве катализаторов для этого процесса в суспензионных реакторах. Его получают химическим осаждением паров с использованием термоплазмы (TPCVD) и методами распыления кластера.

4. Производство водорода путем паровой конверсии этанола на наноструктурированных катализаторах индия Процесс: использование мезопористых В₂O₃ / KIT-6 катализаторов даёт высокое качество производства из этиловым спирта даже при низких температурах и получают низкую концентрацию примеси СО в сравнении с другими катализаторами.

Катализатор: Мезопористый В₂O₃ с размером частиц 2−3 нм и площадью поверхности 107 м 2 / г до 173 м 2 / г

5. Гидрообессеривание дизельного топлива Процесс: гидрообессеривания дибензотиофена улучшилось на 20% с использованием SDM NiMo / Al-HMS нанокатализаторов при 330 ° C, по сравнению с предыдущими катализаторами.

Катализатор: синтез новых NiMo / Al шестиугольных, мезопористых, нанокомпозитных катализаторов происходит сверхкритическим методом осаждения.

6. Ядро и оболочка нанокатализаторов для топливных элементов Процесс: реакции восстановления кислорода, которая происходит на катоде топливного элемента, производит в качестве единственного отхода воду, но именно на катоде теряется до 40 процентов производительности топливного элемента. А платина, на которой остановили свой выбор ученые, не только является дорогостоящим материалом, но и под действием химической реакции со временем разрушается. Конструкция ядро-оболочка из наночастиц призвана решить обе эти проблемы.

Из палладия (Pd) команда ученых создала ядро толщиной в пять нанометров и облекла его в оболочку, состоящую из сплава железа и платины (FePt) в соотношении 7 к 3 (т.е. в сплаве содержится всего 30 процентов платины). Весь фокус состоял с том, чтобы оболочка могла сохранять свою форму и имела в своем составе меньшее количество платины для эффективного осуществления реакции.

После ряда лабораторных испытаний выяснилось, что новый катализатор генерирует в 12 раз больше тока, чем существующие катализаторы того же веса. Кроме того, на протяжении 10 000 циклов выработка оставалась практически неизменной — это по крайней мере в 10 раз больше, чем у действующих моделей катализаторов, которые начинают разрушаться уже после 1000 циклов.

Катализатор: Pd толщиной 5 мм в оболочке FePt.

Заключение

Катализаторы являются важнейшей частью современной химической промышленности и используются в огромном количестве химических процессов во всем мире. Учёные и исследователи постоянно стараются улучшить производительность и срок службы катализаторов, потому что развитие химического производства напрямую зависит от их качества.

Наноматериалы в катализе предлагают совершенно новый массив параметров, которые ученые могут изменять, чтобы найти идеальный катализатор. Поскольку это исследование продолжается, мы будем понимать все больше и больше о том, как ведут себя катализаторы на наноуровне, и мы будем в состоянии синтезировать химические вещества все более и более эффективно.

Список литературы

1." Nanocatalysis: More than speed" - Gellman & Shukla, Nature Materials, 2009

2." Catalysis: Induvidual nanoparticles in action" - B.C. Gates, Nature Nanotechnology, 2008

3." Green Chemistry by Nano-Catalysis" - Polshettiwar & Varma, Green Chem., 2010.

1.