- Информация о материале
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.
Новость в других источниках:
Indikator, Химия и науки о материалах, 12.07.2023 Обычная сода многократно улучшила работу платинового катализатора
Рамблер/новости, 12.07.2023 Обычная сода многократно улучшила работу платинового катализатора
- Информация о материале
Исследование выполнено сотрудниками Института неорганической химии СО РАН при помощи научной установки "Станция EXAFS-спектроскопии" в Сибирском центре синхротронного и терагерцевого излучения на базе Института ядерной физики СО РАН. Технология позволит удешевить этот процесс и перспективна для использования в энергетике и химической промышленности.
НОВОСИБИРСК, 30 июня. /ТАСС/. Российские ученые создали эффективные сорбенты для выделения углеводородов - метана и этана из многокомпонентных смесей. Технология адсорбционного разделения перспективна для использования в энергетике и химической промышленности, сообщили ТАСС в пятницу в пресс-службе ФИЦ "Институт катализа СО РАН".
"Исследователи Института неорганической химии СО РАН создали мезопористые металл-органические координационные полимеры - уникальные соединения для выделения легких алканов (метана и этана) из сложных многокомпонентных смесей. Эти углеводороды широко используют в энергетике и химической промышленности", - говорится в сообщении.
Традиционно легкие алканы (метан, этан, пропан, бутан и др.), необходимые в энергетике и химической промышленности, и природный газ разделяют с помощью криогенных установок при экстремально низких температурах, однако значительные энергозатраты приводят к снижению рентабельности процесса. Ученые из ИНХ СО РАН предложили использовать другой метод, основанный на технологии разделения газов с помощью адсорбции.
Ученые показали, что разработанные ими сорбенты NIIC-20 демонстрируют высокие значения сорбционной емкости метана, этана, пропана, а также одни из лучших значений селективности. Процесс разделения не требует охлаждения и имеет рекордно высокую производительность.
О модернизации установки
Работы выполнены в рамках проекта по модернизации и проведению исследований на уникальной научной установке (УНУ) "Станция EXAFS-спектроскопии", который реализует Институт катализа СО РАН при поддержке государственной программы "Научно-технологическое развитие Российской Федерации". Установка позволяет исследовать атомную структуру и химический состав различных образцов в жидком и твердом состояниях.
Модернизация позволит проводить эксперименты, для которых в России пока нет приборной базы. Отработанные методики и установки будут перенесены на Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ).
Модернизация станции повысит ее производительность и позволит решать задачи в области разработки каталитических систем нового поколения, исследования функциональных материалов, а также фундаментальной медицины.
Пресс-служба ФИЦ "Институт катализа СО РАН"
Новость в других источниках:
национальныепроекты.рф, 12.07.2023 В Новосибирске предложили новый способ разделения ценных углеводородов
ПРАЙМ, агенство экономической информации, 30.06.2023 В Сибири придумали новый способ получения важнейших углеводородов
- Информация о материале
Сотрудники Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН синтезировали новые люминесцентные соединения для биовизуализации, нетоксичные для клеток. Они созданы на основе комплексов редкоземельных металлов с лигандами — новыми производными β-енаминдиона.
"Наука в Сибири" 9 марта 2023 (стр. 7)
«Эта работа продолжается в рамках гранта Российского научного фонда. Стоит задача в том числе получить новые люминесцентные материалы для биовизуализации. Чтобы создать материалы с заданными характеристиками, мы исследуем не только люминесцентные свойства, но и состав, структуру разрабатываемых соединений», — рассказывает старший научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Елизавета Викторовна Лидер.
Существующие сегодня люминесцентные красители для биовизуализации — это преимущественно органические вещества, у которых есть серьезные недостатки. Во-первых, многие из них токсичны: если добавить их в питательную среду, клетка сразу погибает, и становится невозможно исследовать ее в живом виде. Во-вторых, некоторые органические соединения плохо переносят свет — они разрушаются и не позволяют увидеть необходимые клеточные структуры. Поэтому ученые ищут агенты для биовизуализации среди комплексов лантанидов с органическими или неорганическими лигандами.
Лантаниды — семейство из 14 химических элементов с порядковыми номерами 58—71, расположенных в VI периоде системы Менделеева за лантаном и сходных с ним по свойствам. Лиганды — молекулы, присоединенные к иону металла.
Перспективные лиганды являются своего рода антеннами: поглощают энергию при облучении светом и передают ее центральному иону металла. Однако это свойство проявляется только в координационных соединениях, то есть при наличии двух центров — металлического и органического. В качестве первого выступают лантаниды. Разумеется, не все они подходят под выбранные цели — среди них есть металлы, которые не обладают выраженными люминесцентными свойствами.
Ученые ИНХ СО РАН разработали две новые серии соединений лантанидов с лигандами — новыми производными β-енаминдиона (по пять комплексов в каждой). β-енаминдион — большой класс соединений, который включает фрагмент, содержащий две C=O-группы. Они отличаются наличием метоксигруппы, которая находится в разных положениях.
«Метоксигруппа — это группировка, которая никак не координируется с металлом, но оказывает влияние на свойства “антенны”. Они могут либо улучшаться, усиливаться, либо, наоборот, ухудшаться. Без экспериментальной проверки сказать это однозначно нельзя. Конечно, существуют различные квантово-химические методы расчетов, но они не всегда совпадают с экспериментальными данными. В нашей работе мы тоже прибегаем к расчетной химии, но потенциально перспективные соединения получаем на практике и смотрим, как наличие и положение различных функциональных групп влияет на люминесцентные свойства комплексов лантанидов. То есть какая из этих “антенн” будет работать лучше», — отмечает Елизавета Лидер.
Исследователи изучают не только свойства полученных соединений, но и их строение. Лантаниды — это металлы, которые имеют большое количество координационных возможностей. Так, ученым удалось создать полимеры, слоистые и каркасные структуры, в которых есть дополнительные полости. В перспективе эти полости можно будет заполнять молекулами-гостями и разрабатывать на их основе новые биологические применения полученных соединений.
«Для разных катионов металлов мы получаем разные люминесцентные свойства. В основном мы синтезируем комплексы европия, самария и тербия, так как именно эти соединения излучают в видимой человеческим глазом области света. При облучении ультрафиолетом первые светят красным цветом, вторые — оранжевым, третьи — зеленым. В одной серии соединений лучше всего себя проявил комплекс европия, в другой — европия и самария», — рассказывает младший научный сотрудник ИНХ СО РАН Ксения Сергеевна Смирнова. Данный тип люминесценции — это фосфоресценция, которая подразумевает длительные времена излучения, миллисекунды (с химической точки зрения это много).
«Кроме того, мы показали, что полученные соединения не являются цитотоксичными и не разрушают клетки при добавлении их к клеточным линиям в питательной среде. В дальнейшем нужно смотреть, насколько и каким образом они способны проникать сквозь мембрану клетки (это необходимо, чтобы изучать ее структуру)», — комментирует Елизавета Лидер.
В перспективе полученные комплексы можно будет использовать как в лабораторных анализах, так и в исследованиях на животных — после того, как будет изучена токсичность на живом организме.
Сейчас ученые ищут аналоги этих соединений, меняя функциональные группы лигандов, и более детально исследуют объекты, показавшие высокую перспективность. «У нас действительно есть еще очень много органических лигандов, способность к координации которых нужно проверять. Не все комплексы получаются в одних и тех же условиях, и всегда стоит сверхзадача — найти наилучшие условия для синтеза. Это достаточно трудоемкий процесс», — говорит Ксения Смирнова.
Основная часть работ проводится в Институте неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, часть физико-химических исследований — в Новосибирском государственном университете. Синтез органических соединений β-енаминдиона проходит в Кубанском государственном университете.
Исследование выполняется при финансировании Российского научного фонда: грант № 20-73-10207, руководитель Е. В. Лидер, «Поиск перспективных люминофоров и агентов для противоопухолевой терапии в ряду смешаннолигандных комплексов редкоземельных и эндогенных металлов на основе полипиридиновых, фосфиновых лигандов и производных тетразола» (конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными).
Диана Хомякова
- Информация о материале
Материал о разработках сотрудников Института опубликован в газете "Поиск" № 3 от 20 января 2023 года: "Спасительный хаос. Как снизить токсичность противораковых препаратов" - интервью зав. лаб. биоактивных неорганических соединений д.х.н. М.А. Шестопалова.
"Хаотропные вещества «предпочитают хаос» и стремятся его создать. В нашем случае речь идет о «хаосе», который эти агенты вносят в структуру белка или других молекул." 
На медицинском рынке сегодня есть большое количество средств для лечения онкологических заболеваний. Но далеко не все они безвредны. Заведующий лабораторией биоактивных неорганических соединений, главный научный сотрудник, доктор химических наук Михаил ШЕСТОПАЛОВ из Института неорганической химии им. А.В.Николаева Сибирского отделения РАН вместе с коллегами старается сделать препараты для онкологии безопаснее. Тема его исследований «Хаотропный эффект металлокластерных наноионов для дизайна супрамолекулярных систем для применения в биологии и медицине» поддержана грантом Президента России.
- Михаил, введите в курс дела: что это за эффект, которым вы занимаетесь?
- Начну с истории. В 1888 году чешский ученый Франц Хофмейстер исследовал влияние различных солей на растворимость белков. Он обнаружил, что некоторые ионы, то есть положительно или отрицательно заряженные частицы, образующиеся при растворении солей в воде, повышают растворимость белков, а некоторые, наоборот, понижают. В качестве соли может служить даже обычная поваренная, хлорид натрия, она диссоциирует, то есть распадается, в воде на положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора. Хофмейстер расположил ионы в ряд (позже названный серией Хофмейстера) по увеличению их растворяющей способности. Ионы, повышающие растворимость белков, назвали хаотропными, а те, которые понижают, - космотропными. Например, одновалентный положительный ион натрия в этом ряду стоит раньше двухвалентного положительного иона кальция. Получается, ионы кальция более хаотропные, чем натрия. Термин «хаотропный» произошел от двух греческих слов: «хаос» - беспорядок, «тропность» - сродство, привязанность. Таким образом, хаотропные вещества или агенты «предпочитают хаос» и стремятся его создать. В нашем случае речь идет о «хаосе», который эти агенты вносят в структуру белка или других молекул. Как они действуют? Разрушают слабые межмолекулярные взаимодействия, например, водородные связи, и делают более хаотичной структуру крупных молекул, тем самым повышая их растворимость. Термин «космотропный» противоположен понятию «хаотропный» и означает «предпочитающий порядок» («космос» по-древнегречески - «порядок»). Однако кроме обычных ионов существует более сложный класс соединений, содержащих большее число ионов, в том числе металла. Это так называемые наноионы. К ним относятся металлокластеры. Так вот оказалось, что металлокластерные нано ионы обладают более выраженным хаотропным эффектом, нежели простые ионы, то есть способны сильнее разрушать структуру белковых и других молекул. Такой эффект можно назвать суперхаотропным. В наших исследованиях мы детально изучаем зависимость хаотропного эффекта от состава кластеров.
- Это и есть супрамолекулярные системы, которые обозначены в теме вашей работы?
- Да. Это объект исследований нашей молодежной группы под руководством старшего научного сотрудника, кандидата химических наук Антона Андреевича Иванова. Кстати, «супра» с латинского означает «над». Химия таких надмолекулярных систем изучает взаимодействие различных молекул друг с другом без образования прямой химической связи. Это чем-то напоминает конструктор Lego, когда кирпичики (молекулы) связываются друг с другом и держатся вместе не за счет клея, а за счет особенностей своей структуры. Яркий пример в природе - молекула ДНК, состоящая из двух цепочек, связанных между собой водородными связями, то есть ДНК можно назвать в каком-то смысле супрамолекулярной системой. Такие системы имеют важнейшее значение в биологии, медицине, химической промышленности. Например, супрамолекулярные подходы позволяют получить лекарства пролонгированного действия (например, «Брексин», он же «Пироксикам», витамины «МицелВит»), улучшить усвояемость, растворимость, адресность активных соединений. Многие сенсорные системы-тесты, или биочипы, используемые при различных заболеваниях, таких как рак, коронавирусные инфекции, СПИД, основаны на супрамолекулярных системах.
- Как происходит разработка дизайна супрамолекулярных систем?
- Создание таких систем - интересная и нетривиальная задача. Внешне это выглядит как смешивание двух или более растворов. Часто кажется, что ничего при этом не происходит. Но на самом деле полученные растворы имеют более выраженные и иногда неожиданные свойства. Простой пример из быта - хорошо известная многим женщинам мицеллярная вода. Это супрамолекулярная система, состоящая из воды и специального мыла - поверхностно-активного вещества (ПАВ). Такой раствор образует супрамолекулярную структуру - мицеллы. Происходит это в конкретных условиях: при определенной концентрации, то есть соотношении ПАВ - вода, а также при наличии или отсутствии каких-то других веществ, мешающих или помогающих образованию мицелл. Как только мы добавляем к мицеллам что-то, они могут разрушиться. Поэтому условия, например, концентрации для каждой индивидуальной системы, необходимо подбирать отдельно. Это и называется «дизайн эксперимента». Его основной принцип основан на сочетаемости элементов на молекулярном уровне. Это так же, как, например, при выборе одежды для создания образа. Есть вещи, которые сочетаются, например, по цвету, и их можно надевать вместе. Классическая комбинация - белый верх - черный низ. Так же и в супрамолекулярной химии. Некоторые соединения сочетаются и позволяют создавать супрамолекулярные системы, а некоторые - нет. Хаотропный эффект, о котором я рассказал, играет одну из ключевых ролей в направленном дизайне таких систем. Коллектив нашей лаборатории разработал несколько десятков различных систем.
- Каким образом результаты вашей работы можно применить в медицине?
- Основная идея наших исследований - снижение общего негативного действия на живой организм агентов, обладающих противораковой активностью. Мы пытаемся получить системы, сохраняющие противораковые свойства, но при этом не наносящие вреда здоровым тканям человека. Это очень сложная и трудоемкая задача, с работой сразу в нескольких областях науки - химии, биологии, медицине. Поэтому исследования проводим совместно со специалистами в этих направлениях, с использованием современного оборудования как нашей лаборатории, так и коллег из учреждений здравоохранения. К работам привлекаем и состоявшихся ученых, и молодые кадры - студентов и аспирантов Новосибирского государственного университета. Молодежь можно назвать «руками» проекта, в то время как старшие коллеги в основном играют роль «мозгового центра». Такого рода исследования практически невозможно выполнить собственными силами. Мы стараемся взаимодействовать с организациями как в России, так и за рубежом. Хотелось бы отметить, что, несмотря на сложную ситуацию на геополитической арене, многие иностранные ученые, в том числе из Евросоюза, продолжают сотрудничать с нами по мере их возможностей.
- Какие результаты уже есть в активе?
- Нам удалось достичь снижения общей токсичности некоторых перспективных, на наш взгляд, противораковых препаратов. Однако разработки все еще ведутся, и говорить о готовом лекарственном средстве очень рано. Тем не менее вдохновляющие результаты есть. Об удачном ходе экспериментов в целом можно судить по научным статьям нашей лаборатории. Например, это работа, выполненная в рамках нынешнего проекта и опубликованная в высокорейтинговом журнале Inorganic Chemistry ACS («Неорганическая химия», Американское химическое сообщество).
- Насколько трудно сейчас опубликоваться в престижных зарубежных журналах?
- Подавляющее большинство наших работ нашло отражение в престижных международных изданиях. Безусловно, может показаться, что опубликовать работы в зарубежных журналах, особенно в свете текущих событий, практически невозможно. Да, такая проблема периодически возникает, но большинство научных изданий придерживается принципа «наука вне политики».
Фирюза ЯНЧИЛИНА
"Поиск" - еженедельная газета научного сообщества
© ИНХ СО РАН 1998 – 2024 г.