Материаловедческий подход к созданию эффективных катализаторов на основе никеля

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.