Ученые ФИЦ Институт катализа СО РАН при поддержке Российского научного фонда исследуют реакционную способность многокомпонентных сплавов в синтезе углеродных наноматериалов для дизайна катализаторов нового типа. Результаты работы предполагается использовать для решения задач экологии, промышленности и водородной энергетики.

Многокомпонентные сплавы, или высокоэнтропийные сплавы (МКС) — это системы, которые содержат 4-5 и более металлов в сходных концентрациях. Они могут проявлять уникальные физические характеристики. В последнее время подобные системы вызывают большой интерес ученых в плане перспектив использования в ряде каталитических реакций и электрокаталитических приложений.

Научная новизна проекта состоит в том, что ранее такие сплавы не использовались для синтеза углеродных наноматериалов. «Интересно, что в составе подобных сплавов есть никель, кобальт, железо — это те самые металлы, которые хорошо известны как катализаторы получения углеродных нанотрубок, нановолокон и т. д. Но до сих пор их не применяли для синтеза подобных материалов. Мы собираемся синтезировать такие сплавные системы, содержащие четыре, пять и более компонентов для того, чтобы изучить их способность превращаться в активные катализаторы синтеза углеродных наноструктур, в первую очередь — углеродных нановолокон», — рассказывает руководитель проекта, ведущий научный сотрудник Института катализа СО РАН, к.х.н. Илья Мишаков. 

Как будут готовить МКС

По словам Ильи Мишакова, для реализации различных подходов к синтезу целевых сплавов к участию в проекте подключены сотрудники Института неорганической химии СО РАН (Новосибирск) и Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), обладающие необходимыми компетенциями. Участники проекта будут использовать три способа получения МКС — термолиз многокомпонентных предшественников, совместный электрический взрыв проволок и механохимическое сплавление металлов.

Термолизом многокомпонентных предшественников занимаются в Институте неорганической химии СО РАН. Суть метода заключается в том, что химические реагенты, содержащие необходимые металлические компоненты, смешиваются, затем прокаливаются, восстанавливаются, и на выходе получается сплав.

Получать МКС также будут в Томске методом совместного электрического взрыва проволок различных металлов. «В этом процессе берут проволоки необходимых металлов/сплавов, переплетают между собой и диспергируют за счет пропускания импульса тока высокой плотности. В результате совместного диспергирования проволок различных металлов/сплавов и образуются частицы многокомпонентного сплава», — рассказывает Илья Мишаков.

Третий способ — механохимическое сплавление порошков металлов. Для него используют планетарную мельницу, где развивается большое ускорение мелющих тел, что способствует эффективному сплавлению компонентов между собой.

Область применения новых катализаторов

Основная цель проекта — исследовать реакционную способность МКС в синтезе углеродных наноматериалов для создания нового типа закрепленных катализаторов. Когда сплав подвергается термической обработке в углеродсодержащей атмосфере, он диспергируется и это приводит к формированию активных частиц, которые обладают каталитическими свойствами. На активных сплавных частицах вырастают углеродные волокна. В результате процесса получается композитный материал, состоящий из углеродных нановолокон и МКС. Такие системы в дальнейшем могут использоваться как катализаторы и иметь широкую область применения. 

Ученые исследуют, каким образом новые катализаторы можно применять для обезвреживания хлорароматических соединений.

«Создаваемые системы могут применяться для адсорбции и гидродехлорирования хлорароматических соединений. Мы будем проверять нанесенные на углерод МКС в процессах обезвреживания хлорзамещенных углеводородов, которые, даже в малом количестве попадая в водоемы при техногенных авариях, портят воду и делают ее непригодной для использования и опасной для биологических объектов», — поясняет Мишаков.

Второе направление связано с процессом селективного гидрирования при получении этилена из ацетилена, говорит ученый: «В этом процессе селективно гидрируется тройная связь и получается этилен. Подготовка сырья путем селективного гидрирования — это один из важных процессов в промышленности». Эта часть работы будет осуществляться в Центре новых химических технологий ИК СО РАН в Омске.

Наконец, каталитические системы на основе МКС могут быть перспективны для запасания водорода. «Хранение водорода — очень непростая задача. Один из способов основан на использовании так называемых жидких органических носителей водорода, которые способны обратимо присоединять и отдавать водород. Для этих процессов также необходимы катализаторы, и системы на основе МКС могут оказаться перспективными», — рассказывает Илья Мишаков.

Для процессов гидродехлорирования и гидрирования часто используются катализаторы на основе драгоценных платиновых металлов. Ожидается, что новые системы станут более доступной альтернативой. «Драгоценные металлы типа палладия можно заменить набором очень дешевых — никелем, железом, хромом и т.д. в разных комбинациях. Они могут дать значимый положительный эффект, работая вместе. Мы ищем комбинации металлов, которые бы работали более слаженно в «команде», обеспечивая такую же активность, как и драгметаллы, а возможно и более высокую», — отмечает руководитель проекта.