Ученые ФИЦ Институт катализа СО РАН при поддержке Российского научного фонда исследуют реакционную способность многокомпонентных сплавов в синтезе углеродных наноматериалов для дизайна катализаторов нового типа. Результаты работы предполагается использовать для решения задач экологии, промышленности и водородной энергетики.

Многокомпонентные сплавы, или высокоэнтропийные сплавы (МКС) — это системы, которые содержат 4-5 и более металлов в сходных концентрациях. Они могут проявлять уникальные физические характеристики. В последнее время подобные системы вызывают большой интерес ученых в плане перспектив использования в ряде каталитических реакций и электрокаталитических приложений.

Научная новизна проекта состоит в том, что ранее такие сплавы не использовались для синтеза углеродных наноматериалов.

«Интересно, что в составе подобных сплавов есть никель, кобальт, железо — это те самые металлы, которые хорошо известны как катализаторы получения углеродных нанотрубок, нановолокон и т. д. Но до сих пор их не применяли для синтеза подобных материалов. Мы собираемся синтезировать такие сплавные системы, содержащие четыре, пять и более компонентов для того, чтобы изучить их способность превращаться в активные катализаторы синтеза углеродных наноструктур, в первую очередь — углеродных нановолокон», — рассказывает руководитель проекта, ведущий научный сотрудник Института катализа СО РАН к.х.н. Илья Мишаков.

Многокомпонентные сплавы можно готовить разными способами. В проекте участвуют Институт неорганической химии СО РАН (Новосибирск) и Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск). Участники проекта будут использовать три способа получения МКС — термолиз многокомпонентных предшественников, совместный электрический взрыв проволок различных металлов/сплавов и механохимическое сплавление металлов.

Основная цель проекта — исследовать реакционную способность МКС в синтезе углеродных наноматериалов для создания нового типа закрепленных катализаторов. Когда сплав подвергается термической обработке в углеродсодержащей атмосфере, он диспергируется и это приводит к формированию активных частиц, которые обладают каталитическими свойствами. На активных сплавных частицах вырастают углеродные волокна. В результате процесса получается композитный материал, состоящий из углеродных нановолокон и МКС. Такие системы могут использоваться как катализаторы и иметь широкую область применения.

Ученые исследуют, каким образом новые катализаторы можно применять для адсорбции и гидродехлорирования хлорароматических соединений, к которым относится, например, трансформаторное масло. Также они могут использоваться для процесса селективного гидрирования ацетилена в этилен. Эта часть работы будет осуществляться в Центре новых химических технологий ИК СО РАН в Омске. Наконец, катализаторы на основе МКС могут быть перспективны для процессов химического запасания водорода с использованием жидких органических носителей.

Для процессов гидродехлорирования и гидрирования часто используются катализаторы на основе драгоценных платиновых металлов. Ожидается, что новые системы станут более доступной альтернативой.

«Драгоценные металлы типа палладия можно заменить набором очень дешевых — никелем, железом, хромом и т.д. в разных комбинациях. Они могут дать значимый положительный эффект, работая вместе. Мы ищем комбинации металлов, которые бы работали более слаженно в «команде», обеспечивая такую же активность, как и драгметаллы, а возможно и более высокую», — отмечает руководитель проекта.