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.