Предпринята необычная попытка создания катализатора для очистки водорода от следов угарного газа

Присутствие примесей угарного газа в водороде может самым пагубным образом сказаться на работоспособности топливных ячеек. Но недавние исследования, проведённые в Инженерно-химическом институте (Сингапур), показали, что золотые наночастицы (с диаметром менее 5 нм) способны эффективно катализировать удаление примесного СО из водорода при комнатной температуре.

Учёные надеются, что их открытие подтолкнёт дальнейшее развитие автомобилей на топливных элементах, несущих на борту систему конвертации топлива. Речь идёт об устройствах, использующих бензин, воду и кислород для получения водорода, который затем поступает в топливный элемент для окисления на сверхдорогом катализаторе (хотелось бы посмотреть на того человека, в чью голову впервые постучалась такая идея; хотя ужаснее всего то, что у него появилась толпа последователей). Правда, тут не обошлось без солидной промашки: золотые частицы продемонстрировали чёткую тенденцию к быстрой потере каталитической активности, и учёные занялись поиском решения этой проблемы.

На сегодня удалось идентифицировать проходящую на атомном уровне едва уловимую трансформацию, которая способна активировать или деактивировать золотой нанокатализатор.

Наглядно показаны химические процессы, протекающие в системе «золото — оксид меди(II)» в восстановительной среде. Слева — исходный катализатор; справа — то, что получается через несколько часов. (Иллюстрация ACS.)

Для получения золотого нанокатализатора коллоидная смесь прекурсоров золота и оксида меди(II) наносилась на подложку SBA-15 (мезопористого кремния). После нагревания на подложке образовывались наночастицы золота вперемешку с наночастицами оксида меди(II). Многочисленные поры SB-15 и примесные частицы CuO препятствовали слипанию золотых наночастиц друг с другом, что обеспечило высочайшую каталитическую активность.

К сожалению, достоинства этого метода получения золотого нанокатализатора обернулись серьёзными проблемами на практике. Используя просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения, учёные обнаружили, что их система, состоящая из золота, аморфизованного сплава золота и меди на границе между золотом и CuO, а также самого оксида меди(II), сохраняла стабильность в течение 13 часов. Однако в восстановительной атмосфере СО/H₂ оксид меди(II) постепенно трансформировался в свободную медь (основы химии по-сингапурски: чтобы понять это, применяют просвечивающую электронную микроскопию!), которая сплавлялась с золотом, деактивируя катализатор.

К счастью, нагревание выше 300 ˚C позволило повернуть вспять процесс сплавления и тем самым восстановить каталитическую активность.

Да, поверхностные локальные структуры, имеющие атомные масштабы, всегда играют ключевую роль в гетерогенном катализе. Медь, покрывающая золото, мешает золоту работать. Неожиданно? Нет. Может быть, образование самой меди из оксида в атмосфере СО и водорода является чем-то необычным? Совсем наоборот. Так что же нового сделано? Предложен катализатор, который при комнатной температуре способен эффективно удалять примеси СО из водорода, но в его структуре изначально заложен механизм саморазрушения. Дополнительные подробности можно узнать из статьи, опубликованной в журнале ACS Catalysis