Ученые Института неорганической химии имени А. В. Николаева получили безопасные, удобные и доступные вещества-предшественники – карбонатные комплексы платины – для получения катализаторов, и совместно с сотрудниками Института катализа имени Г. К. Борескова (Новосибирск) провели испытания полученных соединений.

Российская академия наук, 12.07.2023 Сода в 20 раз улучшает работу катализатора

Сибирские ученые обнаружили простой метод получения платиновых карбонатных комплексов. Они могут выступать в качестве удобных и экологичных предшественников катализаторов на основе платины. С помощью новой технологии, требующей лишь гидроксид платины и пищевую соду, авторы получили катализатор, который в расчете на один атом платины позволяет получить в 23 раза больше водорода из гидразина по сравнению с аналогичными катализаторами. Результаты исследования, поддержанного Президентской программой Российского научного фонда, опубликованы в журнале ACS Inorganic Chemistry.

Устойчивый коллоидный раствор частиц оксида платины в воде, полученный нагреванием карбонатного раствора гидроксида платины. Источник: Данила Васильченко.

Соединения платины широко используются в промышленности, медицине, водородной энергетике и других отраслях производства в качестве катализаторов – веществ, которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются. Платина обладает каталитической активностью по отношению к самым разнообразным классам веществ. Например, с ее помощью нейтрализуют автомобильные выхлопные газы, а также в промышленных масштабах получают азотную кислоту. Высокая устойчивость платины к взаимодействию с другими веществами обуславливает длительный срок службы катализаторов. Все эти достоинства вызывают неугасающий интерес к разработке новых веществ и материалов на основе платины.

Характеристики катализатора во многом зависят от вещества-предшественника, или прекурсора, из которого его получают. В процессе синтеза исходное соединение определяет размер образующихся частиц платины, а также возможные примеси в конечном продукте – платиновом катализаторе. Большинство современных веществ-предшественников платины представляют собой растворы агрессивных минеральных кислот, например, азотной или соляной. Такие прекурсоры приводят к коррозии применяемой для получения катализатора технической аппаратуры, вредны для персонала, задействованного на производстве, а также разрушают материал носителя в ходе химической реакции, что снижает активность катализатора и мешает использовать его повторно.

Ученые Института неорганической химии имени А. В. Николаева (Новосибирск) получили безопасные, удобные и доступные вещества-предшественники – карбонатные комплексы платины – для получения катализаторов, и совместно с сотрудниками Института катализа имени Г. К. Борескова (Новосибирск) провели испытания полученных соединений. Изначально ученые обнаружили, что в растворах гидроксида платины, долго стоявших на воздухе, образуются платино-карбонатные комплексы. Источником карбоната при этом служит углекислый газ, проникающий в раствор из атмосферы. Исследователи изучили механизм взаимодействия углекислого газа с ионами платины и выяснили, что в результате образуется несколько вариантов устойчивых карбонатных комплексов платины, которые и послужили основой для будущих катализаторов.

Стабильность комплексов оказалась неожиданной для исследователей, поскольку аналогичные карбонатные соединения других благородных металлов, таких как палладий и родий, быстро распадаются. Карбонатные комплексы платины же достаточно устойчивы, однако при длительном хранении или при нагревании они превращаются в наночастицы оксида платины. Если же в раствор с карбонатными комплексами внести суспензию каких-либо твердых частиц, например оксида церия или графитоподобного нитрида углерода, то наночастицы оксида платины образуются прямо на поверхности этих носителей, что позволяет получать платиновые катализаторы. Таким способом исследователи получили материал, в котором на поверхности носителя располагались не просто частицы чистой платины, а ее сплава с никелем.

Далее ученые проверили активность полученных катализаторов, используя их для ускорения реакции разложения гидразина. Гидразин применяется как топливо для двигателей ракет, но его также можно использовать для получения и компактного хранения водорода – экологически чистого топлива. В присутствии частиц сплава платины и никеля гидразин распадается на азот и водород. Все испытанные катализаторы показали избирательность более 97 % в этой реакции, что говорит о высокой эффективности превращения. Наибольшую скорость, около 500 молекул водорода в час на одном атоме платины, показал катализатор, в котором частицы платина-никель были нанесены на молекулу оксида церия. Он также оказался очень устойчивым в условиях реакции и выработал в 23 раза больше водорода в пересчете на один атом платины, чем другие аналогичные материалы. Кроме того, оказалось, что другой платино-никелевый катализатор на графитоподобном нитриде углерода увеличивает свою активность на свету, благодаря чему разложение гидразин-гидрата увеличивается на 40 %.

Установка для долговременного тестирования активности катализатора. Источник: Данила Васильченко.

«Для приготовления катализаторов мы использовали карбонаты, в частности, пищевую соду, имеющую нейтральную кислотность – такие соединения не вызывают коррозии, безопасны для человека и природы, а также стабильны при длительном хранении», – рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Данила Васильченко, кандидат химических наук, старший научный сотрудник ИНХ СО РАН.

Уже после публикации статьи ученые выделили карбонатные комплексы платины в твердую фазу и установили их пространственную структуру. В дальнейшем исследователи планируют вместо воды в качестве растворителя для карбонатных комплексов использовать органические соединения. Ученые хотят проверить, как карбонатные комплексы поведут себя с органическими лигандами. Карбонат достаточно прочно удерживается в соединениях с платиной, но может быть в необходимый момент легко удален просто подкислением раствора. С данной точки зрения карбонатные комплексы перспективны в синтезе платиносодержащих противоопухолевых препаратов.

Источник: пресс-служба Российского научного фонда.