Регистрация / Вход
Прислать материал

Материаловедческий подход к созданию эффективных катализаторов на основе никеля

Сведения об участнике
ФИО
Шафеев Марат Равилович
Вуз
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Металлургия и металловедение
Тема
Материаловедческий подход к созданию эффективных катализаторов на основе никеля
Резюме
Данная работа состоит в применении т.н. материаловедческого подхода к решению существующих проблем при создании гетерогенных катализаторов на основе никеля, в частности недостатков, присущих алюмооксидным катализаторам и компенсации малой удельной поверхности цельнометаллических катализаторов. Материаловедческий подход заключается в том, чтобы при электроосаждении вывести определенные грани материала катализатора на поверхность, чтобы за счет геометрического соответствия с молекулой реагента ускорить каталитическую реакцию.
Ключевые слова
Никелевый катализатор, Электроосаждение, Развитая поверхность, Кристаллографическая структура, Геометрическое соответствие
Цели и задачи
Цель работы: создание эффективных катализаторов на основе никеля при помощи материаловедческого подхода.
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.
Введение

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.

Методы и материалы

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.

Описание и обсуждение результатов

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.

Используемые источники
1. Gai P.L., Boyes E.D. Electron Microscopy in Heterogeneous Catalysis / P.L.Gai, E.D. Boyes. – CRC Press, 2003. – 233 p.
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.
Information about the project
Surname Name
Shafeev Marat
Project title
Materiology approach to create effective nickel-based catalysts
Summary of the project
This work consists in applying materiology approach to solving the existing problems in designing heterogeneous nickel-based catalysts, in particular the disadvantages of alumina catalysts and low surface compensation of metal catalysts. Materiology approach is that certain facets of catalyst’s material come to the surface during the electrodeposition. It is done to accelerate the catalytic reaction using geometric compliance with reagent molecule.
Keywords
Nickel catalyst, Electrodeposition, High surface, Crystallography structure, Geometric compliance