Высокая каталитическая активность наночастиц

Поверхностные состояния

Увеличение доли атомов, находящихся в поверхностных состояниях, приводит к:

- увеличению реакционной способности наночастиц,

- росту аморфизации структуры,

- увеличению потенциальной энергии системы,

- увеличению скорости диффузии,

- увеличению вклада поверхностных слоев в теплоемкость, спектр колебаний электронов, электро- и теплопроводность.

Как известно, катализаторы позволяют проводить химические реакции более эффективно, с большей скоростью и при более низких температурах. В качестве катализаторов обычно применяют малые частицы металлов или сплавов, расположенные на подложке с развитой поверхностью.

Высокая каталитическая активность наночастиц обусловлена, в частности, следующими причинами:

- большой долей атомов наночастиц, находящихся на поверхности и имеющих возможность взаимодействовать с внешней средой;

- высокой концентрацией реакционно активных мест (так, в случае золота реакционно активными местами для развития каталитических реакций являются вершины и ребра наночастиц, а в случае платины – грани наночастиц);

- соответствием разницы между энергетическими уровнями электронов тепловой энергии kT (в металлических нанокластерах, имеющих размер порядка 2 нм);

- отличием электронной конфигурации атомов, находящихся на поверхности частиц, по сравнению с внутренними атомами.

Эффект каталитических реакций усиливается за счет использования в качестве основы для нанесения металла нанопористых поверхностей, например, цеолитных, (металл-цеолитные катализаторы).

Катализ с использованием Мо-цеолитных катализаторов применяется в газо-нефтехимии, в частности для преобразования метана (CH₄) в бензол (C₆H₆) с выделением водорода (H₂). Реакция происходит в нанопористых каналах цеолита, близких по размерам молекуле бензола, что препятствует появлению нежелательных побочных продуктов и способствует высокой селективности в получении целевого продукта.

Разработаны технологии переработки растительных масел в дизельные топлива с низкой температурой загустевания при использовании наночастиц платины на силикоалюмофосфатной нанооснове.

Традиционно востребованным является катализ выхлопного угарного газа с его преобразованием в углекислый газ в автомобильных нейтрализаторах. Использование платины в наноструктурном состоянии позволяет уменьшить расход дорогого металлы и понизить концентрацию CO. Для этой же цели применяются наночастицы золота (рис.1) Катализ3.avi

 

 

 

Рис.1. Нейтрализация угарного газа на наночастицах золота (модель). Наночастицы золота задерживают на своих ребрах и вершинах молекулы CO и O₂, в результате чего успевает произойти реакция образования CO₂. U – энергия системы, изменяющаяся в процессе реакции.