Нанотехнологии - УрФО

Перейти на основной сайт
ИА ИНВУР Логотип Инновационного портала УрФО
Вы здесь: Главная // Аналитика

Промышленность получит «на орехи»

Добавлено: 2015-01-26, просмотров: 611


 
Σ Ясиновская Елизавета

Нанокристалл со структурой ядро-оболочка на любом схематичном рисунке чем-то отдалённо напоминает лесной орех: тонкая скорлупа-оболочка, внутри – пресловутое ядро. В реальности разглядеть такую композитную частицу, которая может состоять из тонкого слоя драгоценного металла, осаждённого на поверхность другого металла, нельзя не только невооружённым глазом, но и трудно с помощью исследовательского оборудования: подобные структуры пока штучные и несовершенные. И всё же многие научные институты по всему миру параллельно изучают эти новые структуры, поскольку их перспективы очевидны: оболочки из тонкого слоя платины, палладия или рутения позволяют уменьшить общее содержание драгоценных металлов в катализаторах и, соответственно, удешевить их применение.

Чем тоньше слой – тем сильнее каталитические эффекты, которые происходят благодаря влиянию металла-ядра на электронную структуру оболочки – так предполагают российские учёные из Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН и Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН. Они не первый год занимаются электронно-микроскопическими исследованиями формирования структуры типа «ядро-оболочка» для каталитических систем. Своё внимание они сосредоточили на платиновой оболочке:

малое содержание платины в катализаторах и её высокая активность в реакциях окисления органических соединений подойдёт для использования в топливных элементах, для которых высокая скорость электродных реакций крайне важна.

Одному из этапов работы, поддержанному грантом РФФИ, учёные посвятили публикацию в журнале «Электрохимия» («Pt/Pd/C-катализатор с ультрамалым количеством платины для реакции восстановления кислорода», журнал «Электрохимия», №3, 2014).

«Мы работаем в соавторстве с Институтом физической химии и электрохимии, – рассказала Виктория Жигалина, молодой учёный и сотрудник лаборатории электронной микроскопии в Институте кристаллографии РАН. – Они получают нанокомпозиты, измеряют свойства, а мы методами аналитической электронной микроскопии исследуем сами структуры: как они образованы, какие у них дефекты, каково взаимодействие составляющих нанокомпозита». Такие нанокомпозиты ещё не применялись в промышленности в России, но очень интересны для энергетики – в качестве части слоёв топливных элементов. «Сейчас это очень популярная тема, – говорит Виктория. – Мы побывали на Всемирном конгрессе по микроскопии, где также были представлены исследования на тему каталитических слоёв и усовершенствования элементов топливных ячеек».

Под «прицелом» у отечественных исследователей оказались наночастицы платиновой группы металлов на разнообразных углеродных носителях (например, одностенные углеродные нанотрубки). Хотя по свойствам нанокомпозиты на саже очень хороши, пока нашим учёным полностью желаемых структур ядро-оболочка получить не удалось, поэтому, по словам Виктории Жигалиной, российское исследование ещё не завершено:

«Конечным результатом нам хотелось бы видеть наночастицу с оболочкой другого металла толщиной в один монослой, но пока мы получили частично похожие на них структуры – оболочка не сплошная, не такая тонкая».

В качестве ядра структур могут выступать разные металлы – медь, золото, никель. Вариант, предлагаемый исследователями на данном этапе, – это наночастицы платины на палладии, осаждённом на сажу.

Основную сложность в работе с наноструктурами ядро-оболочка представляет само исследование: для него применяются самые современные методы в аналитической электронной микроскопии и буквально штучные приборы, которые есть во многих ведущих исследовательских центрах мира, однако появились относительно недавно, а потому исчисляются единицами – особенно в России. Для своих исследований учёные Института кристаллографии РАН пользуются инструментами и ресурсами Центра коллективного пользования «Структурная диагностика материалов», поддержанного ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» (проект «Комплексное развитие центра коллективного пользования научным оборудованием "Структурная диагностика материалов" ИК РАН»).

«Сложность состоит в определении того, что была получена действительно желаемая структура, – отмечает Виктория. – Это связано и с тем, что биметаллические наноструктуры размерами около нескольких нанометров на объёмной подложке необходимо исследовать на пределе возможностей самых современных приборов, которые сейчас существуют в мире».

По каталитической активности новые, необычные структуры значительно превышают то, на что способны коммерческие катализаторы, используемые сегодня и представляющие собой цельные наночастицы одного металла.

Как предполагает Виктория, в будущем, возможно, все катализаторы будут выпускаться на основе новых композитных структур. Получить их уже сумели исследователи в Японии, США и некоторых странах Европы и теперь заняты их изучением и улучшением свойств. Очередь – за Россией.