Ученые из Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН выяснили, как происходят химические процессы получения наночастиц платины и катализаторов на ее основе. Эти фундаментальные результаты важны для практического применения, так как описанные и исследованные соединения используются в атомной энергетике, медицине и в других сферах. Работа об этом опубликована в журнале Inorganic Chemistry.
«Наша лаборатория специализируется на изучении химии металлов платиновой группы — основы разнообразных катализаторов. Мы тесно сотрудничаем с ФИЦ “Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН”, но они изучают сами материалы, а мы выясняем, как проще и эффективнее эти материалы синтезировать, — рассказывает старший научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Данила Борисович Васильченко. — В опубликованной работе речь идет не о самих катализаторах, а о наиболее эффективном процессе получения стартовых соединений для их приготовления и понимании механизмов реакций, которые при этом реализуются».
Катализаторы и производные продукты платины
Ученые работают с процессами гетерогенного катализа, где катализатор и вещество находятся в разных фазах: первый — твердый, второе — жидкое или газообразное. Металлический катализатор наносят на какой-либо пористый носитель, обычно — оксид, и через него уже проходит вещество для получения конечного продукта реакции. При этом важно, чтобы частицы платины были очень маленькими, а сам материал — чрезвычайно пористым, так увеличивается площадь катализатора. Гетерогенные катализаторы на основе платиновых металлов традиционно производят из хлорокомлексов — соединений платины с хлором. Однако зачастую требуется создать вокруг платины окружение из атомов кислорода, а для этого необходимо приложить усилия.
«У нас есть платина, она полностью окружена атомами хлора, а нам нужно сделать соединение, в котором она уже будет окружена атомами кислорода, гидроксокомплекс, — поясняет Данила Васильченко. — Для этого нам нужно “заменить” хлор на кислород. Мы делаем это посредством обработки в щелочи, так они “заменяются” легче, в довольно мягких условиях. В водных растворах такая реакция возможна еще и под действием света. В работе мы исследовали, как протекает этот процесс в зависимости от стартового соединения платины. Оказалось, что если в стартовом соединении часть атомов хлора уже замещена на кислород, то процесс добирается до финиша медленнее, в десятки раз, чем если стартовать с соединения с полностью хлоридным окружением платины. Таким образом, можно медленно шаг за шагом заменять атомы хлора, а можно, сделать это в одну стадию и быстро».
Предшественник, исследованный учеными, позволяет значительно проще получать такие соединения платины как, например, ацетилацетонаты — прекурсоры (соединения-предшественники для конечного материала. — Прим. ред.) для нанесения пленок платиновых металлов на медицинские инструменты. С его помощью можно создавать гибридные материалы с полиоксометаллатами, что важно для приготовления новых классов катализаторов. «Используя гидроксокомплекс, мы научились получать соединения платины, с помощью которых можно наносить платину на самые разные носители: частицы получаются однородные, реакция проходит быстро и при комнатной температуре. Это и есть основная цель наших работ — упростить технологии производства, — сказал Данила Васильченко. — Результаты, с одной стороны, получились фундаментальными: мы исследовали кинетику процесса, рассчитали константы, определили возможный механизм. А с другой — они имеют прямой выход на практику. Например, это соединение используется на атомных электростанциях для “залечивания” трещин в трубопроводах, приготовления противораковых препаратов и для получения наночастиц платины. Синтез наночастиц с контролируемым размером — важная задача для фундаментальной и практической химии».
Круг применения платиновых катализаторов весьма широк, например, они используются при нейтрализации выхлопных газов в автомобилях: совместно с ФИЦ ИК СО РАН ученые сделали катализатор для нейтрализации угарного газа. Задача, которая стоит сейчас, — катализаторы для получения водорода и в целом создание технологий получения, переработки, хранения водорода для развития водородной энергетики.
Исследователи работают не только с платиной, но с соединениями палладия, родия и иридия. «Каждый катализатор — как конструктор, — объясняет Данила Васильченко. — Одно и то же стартовое соединение подходит не каждому носителю. Мы развиваем химию соединений-предшественников, готовим катализаторы, а дальше в Институте катализа СО РАН исследуют полученные материалы, и мы можем корректировать процесс».
Работа поддержана грантом РНФ 21-73-10038 «Комплексы платины(IV) с неорганическими оксо-лигандами: образование, строение и приложения для катализа».
«Наука в Сибири»
Фото Юлии Поздняковой
