Ученые НИТУ «МИСиС» в сотрудничестве с коллегами из Швеции и Беларуси разработали метод простого одностадийного синтеза катализаторов для окисления угарного газа CO, крайне токсичного вещества, являющегося побочным продуктом горения топлива и ряда промышленных процесов. Катализаторы представляют собой графен-металлические композиты, активно реагирующие с окружающей атмосферой, и в кратчайшие сроки «обезвреживающие» CO. Результаты работы были опубликованы в журналах Inorganic Chemistry и Nature Scientific Reports.
Чистый графен и его аналоги являются одними из лучших катализаторов для активации большого числа лабораторных и промышленных процессов. Повышение каталитической активности графеновых материалов может быть достигнуто за счет их модификации – введения в структуру или на поверхность наноразмерных зерен каталитически активных металлов, таких как медь и никель. Такого рода катализаторы можно использовать, например, для окисления CO (более известен как «угарный газ», образуется при неполном окислении углеродсодержащего компонентов или топлива во многих промышленных и бытовых процессах – легировании стали, сжигании топлива и бытового газа).
При этом, как правило, синтез подобных композиций довольно сложен, требует длительного времени, использования дорогостоящего оборудования, сложных технологических операций. Эти факторы делают синтез графен-металлических нанокомпозитов довольно дорогим и трудоемким процессом. При этом угарный газ либо выбрасывается, либо доокисляется при высоких температурах с использованием других известных катализаторов.
Ученые НИТУ «МИСиС», Королевского Технологического Университета (KTH) Швеции и института Общей и неорганической химии НАН Беларуси разработали новый простой одностадийный метод получения графен-металлических нанокомпозиций. В основу подхода лег метод горения в растворах (solution combustion synthesis, SCS).
Главной особенностью метода является подбор исходных компонентов так, чтобы при их нагреве до определенной критической температуры начиналась экзотермическая реакция горения – реакция с выделением большого количества тепла, позволяющая очень быстро разогреть смесь компонентов. Такой метод синтеза может быть осуществлен в считанные минуты. При этом за счет правильного подбора компонентов и их однородного смешение в растворе можно получать очень широкий спектр наноматериалов с необычными структурой поверхности и интересными свойствами.
«Мы имеем в распоряжении очень мощный инструмент для создания наноматериалов с широким набором характеристик. Адаптивность и универсальность метода синтеза, который мы используем, позволяет нам точечно регулировать параметры процесса для получения наноструктур, наиболее подходящих для конкретной области их применения. В данном случае мы научились синтезировать композитные 2D структуры на основе графена. Однако, мы полагаем, данный метод может быть также использован для получения и других 2D материалов», – комментирует один из авторов работы, к.т.н., ведущий эксперт НИЦ «Конструкционные Керамические Наноматериалы» НИТУ МИСиС и исследователь на кафедре «Коррозии и поверхностных явлений» Королевского Технологического Университета (Швеция) Александр Хорт.
Авторы исследования установили, что полученные ими графен-металлические нанокомпозиты по сути являются тонкой графеновой матрицей, в которой равномерно распределены наноразмерные зерна металлов. Такое сочетание приводит к тому, что нанокомпозит в целом обладает очень высокой удельной поверхностью, доступной для взаимодействия с окружающей атмосферой. При этом каталитические активные зерна металла могут свободно принимать и передавать электрический заряд, ускоряя и усиливая процесс катализа. Это приводит к тому, что полное окисление CO достигается уже при 150 °С (против 180-200 °С у аналогов).
Результаты исследования могут быть использованы для создания эффективных катализаторов процессов химической и металлургической промышленности, что может сделать производство более экологичным. Кроме того, дальнейшее исследование возможностей метода синтеза является потенциальным ключом для создания ряда иных, помимо графена, 2D-наноматериалов.