|
Создали катализатор, который нарушил законы физики
|
|
|
|
Ученые создали катализатор для получения водорода из аммиака, который со временем становится более активным, и путем подсчета атомов выявили изменения, которые повышают эффективность катализатора.
|
|
|
|
Исследовательская группа из химической школы Ноттингемского университета в сотрудничестве с Университетами Бирмингема и Кардиффа разработала новый материал, состоящий из наноразмерных кластеров рутения (Ru), закрепленных на графитированном углероде. Эти нанокластеры реагируют с молекулами аммиака, катализируя расщепление аммиака на водород и азот, что является важным шагом на пути к получению экологически чистого водорода. Это новаторское исследование опубликовано в журнале Chemical Science, ведущем журнале Королевского химического общества.
|
|
|
|
Обладая высокой объемной плотностью энергии, аммиак является перспективным энергоносителем с нулевым выбросом углерода, который в ближайшем будущем может стать основой новой устойчивой экономики. Поиск быстрых и энергоэффективных методов расщепления аммиака на водород (h2) и азот (n2) по мере необходимости имеет важное значение. Несмотря на то, что дезактивация катализатора является обычным явлением, при его использовании катализатор редко становится более активным. Поэтому понимание механизмов, лежащих в основе изменений активности катализатора на атомарном уровне, имеет решающее значение для разработки следующего поколения гетерогенных катализаторов.
|
|
|
|
|
|
|
"Традиционные катализаторы состоят из наночастиц, большинство атомов которых недоступны для реакций. Наш подход начинается с отдельных атомов, которые самостоятельно собираются в кластеры желаемого размера. Таким образом, мы можем остановить рост кластеров, когда их размер достигнет 2-3 нм в квадрате, гарантируя, что большинство атомов останутся на поверхности и будут доступны для химических реакций. В этой работе мы использовали этот подход для выращивания нанокластеров рутения из атомов непосредственно на углеродной подложке", - Доктор Хесум Алвес Фернандес, доцент химического факультета и один из руководителей исследовательской группы.
|
|
|
|
Исследователи использовали магнетронное распыление для создания потока атомов металла для создания катализатора. Этот метод, не содержащий растворителей и реагентов, позволяет получать чистый, высокоактивный катализатор. За счет увеличения площади поверхности катализатора этот метод обеспечивает наиболее эффективное использование редких элементов, таких как рутений (Ru).
|
|
|
|
"Мы были удивлены, обнаружив, что активность нанокластеров Ru на углероде действительно возрастает с течением времени, что противоречит процессам дезактивации, обычно происходящим с катализаторами во время их использования. Это захватывающее открытие невозможно объяснить с помощью традиционных методов анализа, поэтому мы разработали микроскопический подход для подсчета атомов в каждом нанокластере катализатора на разных стадиях реакции с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии. Мы выявили ряд тонких, но значительных преобразований на атомном уровне", - Доктор Ифань Чен, научный сотрудник химического факультета.
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что атомы рутения, изначально неупорядоченные на поверхности углерода, перестраиваются в усеченные нанопирамиды со ступенчатыми краями. Нанопирамиды демонстрируют замечательную стабильность в течение нескольких часов в ходе реакции при высоких температурах. Они постоянно совершенствуются, чтобы максимально увеличить плотность активных центров, тем самым увеличивая производство водорода из аммиака. Такое поведение объясняет уникальные свойства катализатора, которые позволяют ему самосовершенствоваться.
|
|
|
|
"Это открытие задает новое направление в разработке катализаторов, демонстрируя стабильную, самосовершенствующуюся систему для получения водорода из аммиака в качестве экологически чистого источника энергии. Мы ожидаем, что этот прорыв внесет значительный вклад в развитие технологий устойчивой энергетики, способствуя переходу к будущему с нулевым выбросом углерода", - Профессор Андрей Хлобыстов, химический факультет.
|
|
|
|
Это изобретение знаменует собой значительный прогресс в понимании атомистических механизмов гетерогенного катализа для получения водорода. Оно открывает путь к разработке высокоактивных и стабильных катализаторов, в которых устойчиво используются редкие металлы, благодаря точному управлению структурой катализатора на наноуровне.
|
|
|
|
Университет Ноттингема стремится продвигать экологически чистые и устойчивые технологии. Недавно в Ист-Мидленде был запущен кластер с нулевым выбросом углерода, призванный ускорить разработку и внедрение инноваций в экологически чистых отраслях и передовом производстве.
|
|
|
|
Эта работа финансируется за счет гранта программы EPSRC "Атомы металлов на поверхностях и интерфейсах (MASI) для устойчивого будущего" www.masi.ac.uk, который направлен на разработку каталитических материалов для преобразования трех ключевых молекул - диоксида углерода, водорода и аммиака, имеющих решающее значение для экономики и окружающей среды. Катализаторы MASI изготавливаются атомарно-эффективным способом, что обеспечивает устойчивое использование химических элементов без истощения запасов редких элементов и получения большей части элементов, имеющихся в изобилии на земле, таких как углерод и неблагородные металлы.
|
|
|
|
Источник
|
