О том, что существуют вещества, ускоряющие химические реакции, но сами в состав конечных продуктов не входящие, нам рассказывали еще в школе. Эти вещества, в ходе реакции многократно вступающие в различные промежуточные взаимодействия с реагентами и каждый раз восстанавливающие свой исходный химический состав после завершения очередного цикла таких промежуточных взаимодействий, называются катализаторами.
Правда, само слово "катализатор" у подавляющего большинства населения сегодня ассоциируется исключительно с устройством в выхлопной трубе автомобиля, предназначенным для снижения токсичности отработавших газов. Между тем, без катализаторов и наше с вами существование было бы невозможно, потому что едва ли не все биохимические реакции в живом организме протекают только в присутствии ферментов, а это суть биологические катализаторы.
Современная промышленность также остро нуждается в катализаторах: достаточно сказать, что более 90 процентов всей продукции химической отрасли производится с их помощью. Без катализаторов многие производственные процессы были бы вообще невозможны, а остальные протекали бы только при более высоких температурах или давлениях, то есть потребовали бы значительно больших энергозатрат.
Отдельные атомы вместо наночастиц
К сожалению, наиболее активные катализаторы - это редкие и очень дорогие металлы вроде платины, палладия, иридия. Правда, эффективность катализа пропорциональна не массе материала, а площади его поверхности, на которой происходит реакция, поэтому современные катализаторы представляют собой, как правило, твердый материал в форме гранул, порошка или даже наночастиц. Но и наночастицы платины - вещь отнюдь не дешевая.
Теперь группа китайских ученых предложила метод, способный существенно снизить расход драгметалла, а значить - и стоимость катализатора. Химической отрасли это открытие сулит огромную экономию. Профессор Дао Чжан (Tao Zhang), директор Института химической физики Китайской академии наук в Пекине, поясняет: "Атомы, находящиеся внутри наночастиц, в каталитической реакции никакого участия не принимают, то есть они как бы израсходованы впустую. Мы же размещаем на твердой поверхности каждый атом драгметалла по отдельности, и в результате все они выполняют свою каталитическую функцию. Таким образом, нам хватает гораздо меньшего количества драгметалла для достижения того же самого каталитического эффекта. Катализ обходится существенно дешевле".
Экономия - 99,8 процента
При изготовлении катализатора частицы активной каталитической фазы, то есть драгметалла, помещают на специальный носитель - так называемую подложку. Она представляет собой пластину из инертного или малоактивного материала. При изготовлении своего инновационного катализатора китайские ученые применили сподложку на основе оксидов железа, однако вместо наночастиц платины использовали отдельные атомы драгметалла, снизив тем самым его расход ни много ни мало на 99,8 процента. А для того, чтобы предотвратить самопроизвольное слипание отдельных атомов платины в более крупные агломераты, пекинские исследователи разместили их порознь на носителе, создав в поверхностной структуре подложки ряд искусственных дефектов.
Профессор Чжан поясняет: "Это выглядит как лунки, небольшие ямки на ровной поляне. Если по земле катится мячик, он в такой лунке застревает. Особенно, если заполнить лунку клеем. То есть мы использовали поверхностные дефекты подложки для равномерного распределения атомов платины. А чтобы их там закрепить, мы химически модифицировали внутреннюю поверхность лунок. В результате атомы платины и в самом деле будто приклеиваются. Таким образом, мы получили образцы с очень стабильной структурой из отдельных атомов".
Механизм не вполне ясен, но экономия налицо
Этот прием оказался не менее эффективным и в отношении атомов иридия. А в США методику испытали уже на атомах палладия, и тоже не без успеха. Когда профессор Чжан впервые испробовал свой катализатор, он пришел в восторг: "Все сработало замечательно! Сначала мы не были уверены в том, что катализ можно реализовать отдельными атомами. Но опыты показали, что это отлично функционирует. Здесь ведь нет никаких мало-мальски крупных агломератов, а реакция идет, поэтому мы уверены, что атомы платины - единственные активные каталитические центры".
Правда, некоторые эксперты в этом-то как раз и сомневаются. Они высказывают предположение, что в катализе наряду с атомами платины участвует и подложка на основе оксидов железа. Этот вопрос остается пока открытым, однако он носит сугубо академический характер. Ведь вне зависимости от того, какой механизм тут имеет место, то, что такой катализатор позволяет экономить драгметаллы, не вызывает никаких сомнений. "Мы надеемся вскоре выйти на рынок с нашими дешевыми, но эффективными катализаторами для разных сфер применения, - говорит профессор Чжан. - Для этого мы сотрудничаем с одним из ведущих в мире производителей таких изделий".
По материалам:
dw.de