Материаловедческий подход к созданию эффективных катализаторов на основе никеля
Задачи:
1. Получение материалов на основе никеля в виде конусовидных микрокристаллов, закрепленных на сетчатом носителе и имеющих развитую поверхность из ступеней роста, ограненных определенными кристаллографическими плоскостями.
2. Исследование морфологии и структуры полученным материалов.
Существующие подходы к повышению эффективности катализаторов путем увеличения его поверхности являются однобокими и не учитывают морфологию и структуру поверхности катализатора. На эффективность катализатора также влияет такая характеристика, как наличие дефектов и наличие определенных граней на поверхности материала катализатора [1].
Актуальность работы состоит в поиске новых подходов к решению существующих проблем при создании гетерогенных катализаторов на основе никеля, в частности недостатков при работе с алюмооксидными катализаторами и компенсации малой удельной поверхности цельнометаллических катализаторов.
В качестве метода нанесения активного вещества на металлический носитель был выбран метод электроосаждения из раствора солей. Процесс электроосаждения заключается в получении различных покрытий под действием электрического тока. Этот метод позволяет в широком интервале изменять морфологию поверхности, структуру и толщину покрытия, в том числе и наносить отдельные частицы разных размеров, путем варьирования параметров осаждения, таких как плотность тока, время осаждения, параметров электролита – pH и температура электролита, концентрация компонентов. Также можно использовать различные подложки, на которые наносятся покрытие или отдельные частицы.
Метод электроосаждения не энергозатратен, не очень трудоемок и не требует серьезных капиталовложений на начальном этапе. Поэтому он широко используется в промышленности для нанесения покрытий различного технологического назначения.
Для исследования морфологии поверхности, фазового и элементного состава полученных покрытий применялись следующие методы: сканирующая электронная микроскопия, рентгеноспектральный и рентгенофазовый анализ.
В данной работе были получены и исследованы никелевые покрытия, полученные электроосаждением из электролита, основанного на 6-водном хлориде никеля. Путем варьирования режимов осаждения и параметров электролита были получены никелевые покрытия, полностью состоящие из конусов (со ступеньками роста в виде граней (100) и (111)) высотой 400-800 нм и диаметром у основания до 50-150 нм, площадь поверхности которых по приблизительным оценкам больше, чем у исходной гладкой сетки, в 30 раз.
Важным открытием было получение отдельных никелевых частиц размером 5 мкм и более на поверхности, состоящей из оксида хрома, т.к. обычно никель осаждается мелкими частицами до 250 нм, которые затем сливаются в сплошное покрытие, а покрытие обладает меньшей поверхностью, чем отдельные частицы, из которых оно состоит. Помимо образования отдельных частиц таких больших размеров, удалось сразу на них получить развитую поверхность в виде конусов различных размеров, которые также состоят из ступенек роста. Эти сферические микронные частицы можно отделять от подложки и использовать в виде порошка в разных каталитических процессах, в том числе в реакторах с кипящим слоем.
Из литературных источников показано, что необходимо соответствие между строением реагирующих молекул и строением поверхности, и получение на поверхности определенных граней очень сильно влияет на скорость протекания определенной химической реакции. Например, в работах Wang et al [2] и Shiuan-Yau et al [3] показано, что окисление CO и разложение NO никелевым катализатором лучше идет на грани (111) из-за геометрического соответствия.
Таким образом, полученные нами материалы с комбинированием развитой поверхности и определенных граней имеют большой потенциал при использовании в каталитических процессах.
2. Chemisorption of CO2 on nickel surfaces / Wang SG et al. // J Phys Chem B. – 2005. – 109(40). – PP. 18956-18963.
3. Wu Shiuan-Yau, Ho Jia-Jen The interaction of NOx on Ni(111) surface investigated with quantum-chemical calculations / Shiuan-Yau Wu, Jia-Jen Ho // Phys.Chem.Chem.Phys. – 2010. – 12 – PP. 13707–13714.