Российские ученые разработали платиносодержащий электрокатализатор на основе нового типа наночастиц. Получение катализаторов, сочетающих активность и стабильность с пониженным содержанием драгоценного металла, позволит значительно снизить стоимость электроэнергии, которую производят при помощи низкотемпературных топливных элементов. Работа выполнена в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), а ее результаты были опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy. С помощью электрокатализаторов можно превращать энергию химической реакции, например окисления водорода кислородом, непосредственно в электроэнергию. Для изготовления электродов, на которых протекают электрохимические превращения, применяют платиносодержащие электрокатализаторы. К сожалению, их активность постепенно снижается, и их качество ухудшается.
Задача состоит в том, чтобы разработать катализаторы, которые могут обеспечить высокую скорость реакций в течение длительного периода эксплуатации. Это нужно для того, чтобы снизить стоимость производимой электроэнергии.
В ходе новой работы химики разработали электрокатализаторы нового поколения из платины и меди. Они сочетают пониженное содержание драгоценного металла с более высокими, по сравнению с аналогами, активностью и стабильностью. Ранее ученые пытались создать электрокатализаторы на основе наночастиц сплава из двух металлов. Затем они разрабатывали методы получения наночастиц с архитектурой «металлическое ядро — платиновая оболочка» и изучали их свойства. Авторы предполагали, что оболочка будет защищать внутреннее содержимое наночастиц от разрушения в процессе эксплуатации катализатора, а ядро из никеля, кобальта, меди или другого металла будет повышать активность их платиновой оболочки.
Авторы статьи создали и протестировали такие частицы, но столкнулись с определенными трудностями. Во-первых, не все наночастицы в процессе синтеза приобретали необходимую структуру, а во-вторых, атомы металла-ядра все равно проникали на поверхность и загрязняли топливные элементы. Кроме того, на поведение электрокатализаторов значительно влияла граница раздела между оболочкой и ядром наночастиц. Поэтому ученые решили создать неоднородные по составу наночастицы с постепенно изменяющейся концентрацией компонентов.
«Мы разработали методику четырехстадийного синтеза платиномедных наночастиц с градиентной архитектурой, в которых концентрация атомов платины равномерно увеличивалась от ядра к поверхности наночастиц. В этой работе проведено исследование того, как подобная архитектура влияет на активность и устойчивость катализатора», — рассказал один из авторов работы, профессор Южного федерального университета Владимир Гутерман.
В ходе исследования авторы в четыре этапа наращивали на медные ядра наночастиц несколько новых слоев. Каждый последующий слой содержал больше платины и меньше меди, чем предыдущий. Ученые выяснили, что полученные катализаторы с градиентной архитектурой наночастиц теряют меньше меди при стресс-тестировании, чем аналогичные системы на основе наночастиц сплава или с архитектурой «оболочка — ядро». Исследователи провели испытания, в ходе которых чисто платиновые катализаторы деградировали на 75–98%, а градиентный платиномедный катализатор — на 12%. Это значит, что скорость его разрушения была примерно в семь-восемь раз меньше.
«Мы впервые показали, что градиентная архитектура наночастиц обуславливает высокую активность платинометаллических катализаторов. Их стабильность в несколько раз выше, чем у чисто платиновых. Теперь есть возможность получать аналогичные наночастицы с другими металлами, которые могут оказаться более эффективными. Более того, работа расширяет представления о том, как исходные состав и архитектура биметаллических наночастиц влияют на особенности их эволюции — последующего изменения состава и структуры при эксплуатации», — заключил ученый.
Авторы отмечают, что на начальном этапе работы электрокатализатора часть атомов всех типах биметаллических наночастиц часть атомов легирующего компонента растворяется, что может негативно повлиять на характеристики других компонентов топливного элемента. Поэтому ученые планируют подготовить катализаторы к эксплуатации не путем электрохимического воздействия в топливном элементе, а посредством их предварительной обработки в специальных агрессивных средах. Тогда при последующем использовании катализаторы будут демонстрировать высокие функциональные характеристики уже при стабильном составе, что предотвратит отравление полимерной мембраны.
Платиновый катализатор
Лучший катализатор реакции окисления аммиака до окиси азота NО в одном из главных процессов производства азотной кислоты. Катализатор здесь предстает в виде сетки из платиновой проволоки диаметром 0,05—0,09 мм. В материал сеток введена добавка родия (5—10%). Используют и тройной сплав — 93% Pt, 3% Rh и 4% Pd. Добавка родия к платине повышает механическую прочность и увеличивает срок службы сетки, а палладий немного удешевляет катализатор и немного (на 1—2%) повышает его активность. Срок службы платиновых сеток — год-полтора. После этого старые сетки отправляют на аффинажный завод на регенерацию и устанавливают новые. Производство азотной кислоты потребляет значительные количества платины.
Платиновые катализаторы ускоряют многие другие практически важные реакции: гидрирование жиров, циклических и ароматических углеводородов, олефинов, альдегидов, ацетилена, кетонов, окисление SО2 в SО3 в сернокислотном производстве. Их используют также при синтезе витаминов и некоторых фармацевтических препаратов. Известно, что в 1974 г. на нужды химической промышленности в США было израсходовано около 7,5 т платины.
Не менее важны платиновые катализаторы в нефтеперерабатывающей промышленности. С их помощью на установках каталитического риформинга получают высокооктановый бензин, ароматические углеводороды и технический водород из бензиновых и лигроиновых фракций нефти. Здесь платину обычно используют в виде мелкодисперсного порошка, нанесенного на окись алюминия, керамику, глину, уголь. В этой отрасли работают и другие катализаторы (алюминий, молибден), но у платиновых — неоспоримые преимущества: большая активность и долговечность, высокая эффективность. Нефтеперерабатывающая промышленность США закупила в 1974 г. около 4 т платины.
Еще одним крупным потребителем платины стала автомобильная промышленность, которая, как это ни странно, тоже использует именно каталитические свойства этого металла — для дожигания и обезвреживания выхлопных газов.
Четвертым и пятым по масштабам потребления покупателями платины в США были электротехника и стекольное производство.
Стабильность электрических, термоэлектрических и механических свойств платины плюс высочайшая коррозионная и термическая стойкость сделали этот металл незаменимым для современной электротехники, автоматики и телемеханики, радиотехники, точного приборостроения. Из платины делают электроды топливных элементов. Такие элементы применены, например, на космических кораблях серии «Аполлон».
Из сплава платины с 5—10% родия делают фильеры для производства стеклянного волокна. В платиновых тиглях плавят оптическое стекло, когда особенно важно ничуть не нарушить рецептуру.
В химическом машиностроении платина и ее сплавы служат превосходным коррозионностойким материалом. Аппаратура для получения многих особо чистых веществ и различных фторсодержащих соединений изнутри покрыта платиной, а иногда и целиком сделана из нее.
Очень незначительная часть платины идет в медицинскую промышленность.Из платины и ее сплавов изготавливают хирургические инструменты, которые, не окисляясь, стерилизуются в пламени спиртовой горелки; это преимущество особенно ценно при работе в полевых условиях. Сплавы платины с палладием, серебром, медью, цинком, никелем служат также отличным материалом для зубных протезов.
Спрос науки и техники на платину непрерывно растет и далеко не всегда бывает удовлетворенным. Дальнейшее изучение свойств платины еще больше расширит области применения и возможности этого ценнейшего металла.
Источники: http://www.nanonewsnet.ru/, https://znaesh-kak.com/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
