Разработан новый подход для дифракционных исследований катализаторов реакции окислительной конденсации метана

Новый подход позволяет количественно определять концентрацию внутренних дефектов порошкового катализатора, что важно в области материаловедения и катализа.

В Новосибирском государственном университете продолжают реализовывать свои проекты участники молодежного конкурса научно-исследовательских проектов «Рентгеновские, синхротронные, нейтронные методы междисциплинарных исследований». Самые успешные разработки получают поддержку программы «Приоритет 2030» и будут внедряться на исследовательских станциях Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ).

Среди проектов, победивших в этом году, — исследование аспиранта третьего курса, младшего научного сотрудника лаборатории структурной диагностики ультрадисперсных и наноструктурированных систем физического факультета НГУ, младшего научного сотрудника Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН Александра Горкуши «Разработка и апробация дифракционных методик оценки содержания планарных дефектов в структурах Раддлесдена-Поппера A_n+1B_nO_3n+1 на примере катализаторов окислительной конденсации метана Sr_n+1Ti_nO_3n+1».

Структуры ряда Раддлесдена-Поппера (РП) вызывают растущий интерес у материаловедов благодаря возможностям их применения в качестве сверхпроводников, катализаторов и термоэлетриков. Так, в частности, оксиды Sr_n+1Ti_nO_3n+1 активно исследуются в качестве катализаторов окислительной конденсации метана — более экономически выгодного процесса получения жидких топлив из метана по сравнению с традиционными методами.

Александр Горкуша занимается исследованиями катализаторов реакции окислительной конденсации метана. Эта реакция позволяет реализовать  одностадийный метод переработки метана в жидкие углеводороды и является альтернативой классическим методам получения жидких топлив из метана, протекающим через сложные многостадийные процессы. Новый метод может оказаться потенциально более финансово выгодным, однако в промышленном масштабе он пока не реализуется ввиду отсутствия достаточно эффективных катализаторов. В настоящее время исследователями активно ведутся фундаментальные исследования, направленные на поиск достаточно эффективных материалов для катализаторов данной реакции. Александр Горкуша изучает стронциевые катализаторы при помощи методов дифракционных исследований кристаллических веществ. Свойства этих систем в значительной, а иногда и в определяющей, степени зависят от их реальной структуры, то есть от возможных нарушений идеального порядка и отклонений от заданной стехиометрии. Помимо химического состава, содержание дефектов может быть тем параметром, который позволяет дополнительно «настраивать» функциональные свойства материалов.

Дифракционные исследования — совокупность методов изучения атомного строения вещества, основанных на явлении интерференции и дифракции фотонов, рентгеновского, синхротронного и γ-излучения, электронов или нейтронов, упруго рассеиваемых исследуемым объектом. Рентгеновские дифракционные методы являются традиционными методами исследования структуры и структурных дефектов кристаллов. С их помощью определяют структуру и фазовый состав образца, распределение дефектов по его объёму. В отличие от электронов, рентгеновские кванты обладают намного большей глубиной проникновения в кристалл, что даёт возможность получать информацию о плотности дефектов в объёме кристалла.

При применении метода рентгеновской порошковой дифракции часть синтезированного в лаборатории образца можно подвергнуть исследованию и в дальнейшем сделать вывод, подходит ли его внутренняя структура для достижения поставленной цели, и далее модифицировать его в соответствии с актуальной задачей. Важно, что данный метод относится к неразрушающим, и для его применения требуется совсем небольшое количество образца. После проведения анализа он сохраняется в исходном состоянии и остаётся пригодным для дальнейших исследований другими методами.

«В исследуемых мной структурах Раддлесдена-Поппера при синтезе катализаторов получаются образцы не всегда с идеальной кристаллической структурой и с разной степенью дефектности. В рамках моего проекта мы с научным руководителем заведующим кафедрой физических методов исследования твёрдого тела физического факультета Сергеем Васильевичем Цыбулей предложили методику, позволяющую на основе полученных в ходе исследования дифракционных данных анализировать количество дефектов в самом образце. Она очень важна для исследователей-химиков, поскольку количество дефектов в структуре образца существенно влияет на его каталитическую активность. Существование исследуемых в нашей работе планарных дефектов приводит к дефициту стронция в объёме образца и его сегрегации на поверхности частиц катализатора, что в значительной степени определяет его активность в реакции окислительной конденсации метана. Поэтому очень важно знать, сколько стронция было заложено в состав образца перед синтезом и какое количество этого вещества не вошло в структуру полученного образца, а переместилось на его поверхность. Это важно, чтобы устанавливать корреляции между условиями синтеза, полученной кристаллической структурой, и физико-химическими свойствами катализаторов. В целом наша методика применима не только к катализаторам, но также и ко всем материалам с тетрагональными структурами Раддлесдена-Поппера, независимо от того, являются ли они катализаторами или относятся к твердооксидным топливным элементам и термоэлектрикам», — пояснил Александр Горкуша.

Молодой исследователь считает, что использованная им методика может найти применение на станции 1.2 «Структурная диагностика» ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП СКИФ). На этой станции и будет реализовываться метод порошковой дифракции, дающий возможность в автоматическом или полуавтоматическом режиме определять наличие и структуру дефектов для серии образцов катализаторов, полученных разными способами и из разных предшественников. И если в лабораторных условиях съёмка одной только рентгенограммы занимает около часа, то на СКИФе эта манипуляция вместе с анализом полученных данных займёт всего несколько минут, что облегчит работу учёных в части поиска новых эффективных материалов.

Источник: пресс-служба НГУ.