Тезисы доклада чл.-к. РАН В.И. Бухтиярова и д.х.н. З.Р. Исмагилова на Совете 21 апреля 2010 г.

Гетерогенные катализаторы как функциональные наноматериалы.

Синтез, исследование и применение

В.И. Бухтияров, З.Р. Исмагилов

Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

 

Использование наноматериалов в катализе имеет давнюю историю и началось задолго до активного использования приставки “нано”. В качестве примера следует упомянуть катализаторы на основе высокодисперсных частиц благородных металлов (Pt, Pd, Rh), диспергированных на оксидных носителях и цеолитные катализаторы.

Долгое время основной причиной использования металлов в высокодисперсном состоянии была оптимизация их использования за счет увеличения соотношения поверхность/объем (каталитические реакции протекают на поверхностных центрах). Однако позже было выяснено, что переход к нанометровым частицам металла может вызывать изменение удельной каталитической активности (УКА), которая определяется как скорость реакции в присутствии катализатора, отнесенная к числу поверхностных (доступных) атомов металла. Речь идет о появлении размерного эффекта в структурно-чувствительных каталитических реакциях, скорость которых в отличие от структурно-нечувствительных реакций меняется с изменением среднего размера частиц активного компонента. С момента открытия Бударом структурно-чувствительных реакций размерные эффекты стали объектом пристального внимания исследователей.

В докладе будут представлены полученные в последние годы результаты, которые демонстрируют возможность использования размерных эффектов для увеличения активности наноразмерных катализаторов Pt/Al2O3 и Au/Al2O3 в реакциях полного окисления углеводородов и СО, соответственно.

 

Комбинация эффектов наноразмерности частиц активного компонента и пространственной наноструктуры цеолита будет продемонстрирован на примере металл-цеолитных катализаторов переработки природного и попутного газа. Эти катализаторы позволяют в одну стадию превращать метан в бензол и водород - ценные продукты для химической промышленности и водородной энергетики.

Активными центрами катализатора являются Mo-содержащие наночастицы. Размер наночастиц в исходном катализаторе регулируется составом, концентрацией и pH пропиточных растворов на стадии их приготовления.

Исследован генезис Мо содержащих частиц в ходе реакции. В первые минуты реакции наночастицы Mo на поверхности катализатора превращаются в частицы карбида и оксикарбида молибдена. В ходе реакции частицы карбида покрываются тонким слоем углеродистых отложений толщиной  до 2-5 нм.

Активными центрами катализатора, на которых образуется бензол,  являются, по-видимому, Mo-содержащие нанокластеры размером около 0,5 -1 нм, находящиеся внутри каналов цеолита. Молекулы метана легко диффундируют к Mo-содержащим нанокластерам, расположенным в каналах цеолита, и образуют молекулу бензола. Диаметр каналов близок к размеру молекулы бензола, метилзамещенные гомологи практически не образуются, и фактически происходит образование нанокалиброванного продукта с высокой селективностью.

В настоящее время исследуется модифицирование Mo-цеолитных катализаторов наночастицами Fe, Ni и Co с целью увеличения  активности и стабильности катализаторов.

 

 

Эти и другие примеры исследований, выполненных в Институте катализа приводят к выводу о том, что выделение каталитической нанонауки в отдельное направление требует:

1.            развития методов управляемого и воспроизводимого синтеза наноразмерных частиц металла с однородным и варьируемым распределением частиц по размерам;

2.            развития методов надежного определения средних размеров наночастиц и их распределения по размерам;

3.            изучения каталитических свойств и сравнения величин УКА в зависимости от среднего размера нанесенных металлических частиц;

4.            изучения электронных, структурных и адсорбционных свойств наноразмерных металлических частиц в зависимости от их размеров.

 

Заседание ОУСа 21 апреля 2010 г.