Рідка платина: новий каталізатор для революції в промисловій хімії

Дослідники з Австралії використали невелику кількість рідкої платини для створення дешевих і високоефективних хімічних реакцій при низьких температурах, відкриваючи шлях до різкого скорочення викидів у важливих галузях промисловості.

У поєднанні з рідким галієм необхідна кількість платини є достатньо невеликою, щоб зберегти земні запаси цінного металу, водночас пропонуючи більш стійкі рішення для скорочення викидів CO2 і створення зелених паливних елементів. Розширюючи цей метод, можна створити близько 1000 можливих комбінацій елементів для більш, ніж 1000 різних хімічних реакцій.

Платина є дуже ефективною, як каталізатор (пусковий механізм хімічних реакцій), але не широко використовується в промислових масштабах, оскільки вона є дорогою. Також більшість каталітичних систем із застосуванням платини мають високі поточні витрати енергії на роботу.

Зазвичай температура плавлення платини становить 1700°C. А коли він використовується в твердому стані для промислових цілей на основі вуглецю має бути близько 10% платини.

Однак це може змінитися в майбутньому, коли вчені з UNSW Sydney знайшли спосіб використовувати невелику кількість платини для створення ефективних реакцій без дорогих витрат на електроенергію.

Атомний вигляд каталітичної системи, в якій сірі кулі представляють атоми галію, а червоні сфери представляють атоми платини.

Команда, у тому числі члени ARC Center of Excellence in Exciton Science та ARC Center of Excellence in Future Low Energy Technologies, поєднали платину з рідким галієм, температура плавлення якого становить лише 29,8°C — це кімнатна температура літом. У поєднанні з галієм платина стає розчинною. Іншими словами, він плавиться без використання надзвичайно потужної промислової печі.

Для цього механізму обробка при підвищеній температурі потрібна лише на початковій стадії, коли платина розчиняється в галії для створення каталітичної системи. І навіть тоді, це лише близько 300°C протягом години-двох, а не безперервно високих температур, які часто потрібні в промисловому хімічному будівництві.

Доктор Цзяньбо Танг з UNSW порівняв це з ковалем, який використовує гарячу кузню для виготовлення обладнання, яке прослужить роками.

«Якщо ви працюєте із залізом і сталлю, ви повинні нагріти їх, щоб зробити інструмент, але у вас є інструмент, і вам більше ніколи не доведеться його нагрівати», — сказав він.

Щоб створити ефективний каталізатор, дослідникам потрібно було використовувати співвідношення платини до галію менше 0,0001. Отримана система виявилася більш ніж у 1000 разів ефективнішою, ніж її суперник (той, для роботи якого потрібна була приблизно 10% дорога платина).

На цьому переваги не закінчуються — оскільки це рідинна система, вона також надійніша. Твердотільні каталітичні системи з часом забиваються і перестають працювати. Подібно водному об’єкту з вбудованим фонтаном, рідинний механізм постійно оновлюється, саморегулюючи свою ефективність протягом тривалого періоду часу та уникаючи каталітичного накипу, що накопичується на поверхні.

Доктор Аріфур Рахім, головний автор з UNSW Sydney, сказав: «З 2011 року вчені змогли мініатюризувати системи каталізаторів аж до атомного рівня. Щоб окремі атоми були відокремлені один від одного, натомість звичайні системи вимагають твердої матриці (наприклад, графен або оксид металу) для їх стабілізації. І було вирішено, чому б замість цього не використати рідку матрицю і подивитися, що станеться».

Рідкий галій і три кульки платини, що демонструють процес розчинення платини в галії, описаний у роботі.

«Каталітичні атоми, закріплені на твердій матриці, є нерухомими. Ми додали каталітичним атомам рухливість при низькій температурі, використовуючи рідку галієву матрицю».

Механізм досить універсальний, щоб виконувати реакції окислення та відновлення, в яких кисень надається або відбирається від речовини відповідно.

Науковцям з UNSW довелося розгадати деякі загадки, щоб зрозуміти ці вражаючі результати. Використовуючи передову обчислювальну технологію та моделювання, їхні колеги з RMIT на чолі з професором Салві Руссо змогли визначити, що платина ніколи не стає твердою, аж до рівня окремих атомів.

Науковий співробітник, доктор Настаран Мефтахі, розповіла про важливість модельної роботи її команди RMIT.

«Ми виявили, що два атоми платини ніколи не контактують один з одним», — сказала вона.

«Вони завжди розділені атомами галію. У цій системі не утворюється тверда платина. Вона завжди атомно диспергована всередині галію. Це дійсно круто, і це те, що ми знайшли за допомогою моделювання, яке дуже важко спостерігати безпосередньо за допомогою дослідів».

Дивно, але насправді галій виконує роботу, що викликає необхідну реакцію, діючи під впливом атомів платини в безпосередній близькості.

Доктор Ендрю Крістофферсон з RMIT пояснив: «Насправді платина знаходиться трохи нижче поверхні, і вона активує атоми галію навколо неї. Отже, магія відбувається на галії під впливом платини. Але без платини це не відбувається. Це абсолютно відрізняється від будь-якого іншого каталізу, який хтось коли-небудь показував».

Першоджерело: https://phys.org/news/2022-06-liquid-platinum-room-temperature-cool.html 

Reference: Arifur Rahim, Low-temperature liquid platinum catalyst, Nature Chemistry (2022).

DOI: 10.1038/s41557-022-00965-6.

Інформацію підготував Назарій Данилюк (провідний фахівець центру, аспірант 1 року навчання спеціальності 102 Хімія)

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься.