67.01
78.36
20 сентября 2018

Азот сделал нанотрубки отличным катализатором

Технологии 09.04.2018
Азот сделал нанотрубки отличным катализатором
До сих пор эти перспективные наноструктуры оставались довольно инертными химически, несмотря на огромную удельную поверхность, столь полезную для катализаторов.
В Лаборатории экологического катализа Института катализа Сибирского отделения РАН удалось показать, что углеродные нанотрубки и нановолокна, обогащенные атомами азота превращаются в отличные катализаторы. Ранее высокая химическая инертность наноуглеродных структур не давала использовать их в этом качестве. Кроме того, азотсодержащие углеродные нанотрубки могут пригодиться в создании современных жидкокристаллических экранов. О происходящем пишет «Наука Сибири».
Наноструктуры всегда рассматривались как перспективные катализаторы — ведь за счет малых размеров у них очень велика удельная площадь поверхности (площадь поверхности на единицу массы). Для нанотрубок она в тысячи раз больше, чем для большинства обычных катализаторов, так как если последние раздробить на мелкие частицы, они начнут слипаться в более крупные комки, а вот нанотрубки не подвержены слипанию, что делает их потенциально более стабильным катализатором. Несмотря на все эти теоретические преимущества у углеродных нанотрубок есть один, и очень большой недостаток — они слишком стабильны химически. По сути это просто слой графита толщиной в один атом, свернутый в трубочку. Как и сам графит, углеродные нанотрубки не очень охотно вступают в химические реакции.
Исследователи из Института катализа встроили азот в структуру наноматериалов, рассчитывая изменить и улучшить их свойства. Чтобы их метод был экономически оправданным, они использовали для допирования нанотрубок азотом простые методы, не требующие дорогостоящего и сложного оборудования. При этом за счет изменения параметров каталитического процесса, используемого для внесения атомов азота в нанотрубки, химикам удалось проконтролировать как соотношение азота и углерода в них, так и соотношение атомов азота, находящихся в тех или иных различных электронных состояниях между собой.
Как показало изучение допированных нанотрубок, добавление атомов азота действительно сильно сказывается на их физико-химических свойствах. Например, выросло количество структурных дефектов (что важно для готовности материала вступить в химическую реакцию), изменилась электрическая проводимость и химические свойства поверхности (окислительно-восстановительные и гидрофильно-гидрофобные).
Исследователи отмечают, что нанотрубки с добавлением азота могут быть не просто хорошими катализаторами, но и переносчиками других катализаторов, заметно поднимающими их эффективность. Дело в том, что наличие азотных центров в структуре нанотрубок позволяет регулировать размер нанесенных частиц сторонних катализаторов. Их диаметр будет примерно равен расстоянию между атомами азота. Более того, азотные центры ускоряют процесс обмена электронов в системе, а также служат дополнительными центрами активизации реакций. Все это приводит к повышению активности большинства известных катализаторов, нанесенных на такие нанотрубки, или даже меняет сам маршрут каталитической реакции, с таким носителем.
Что важно — нанотрубки с атомами азота, выступая как носитель катализатора, не позволяют его частицам слипаться и даже спекаться при повышенных температурах. За счет этого удельная поверхность нанесенного катализатора не уменьшается при нагреве.
Азотсодержащие углеродные наноматериалы могут быть полезны и для создания новых композитов. Институт катализа совместно с Институтом теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН используют свои обогащенные азотом нанотрубки как добавку, стремясь получить новые системы на основе жидких кристаллов для гибких оптоэлектронных устройств. Как известно, при приложении определенного электрического напряжения происходит переориентация жидкого кристалла, и он начинает пропускать свет. За счет этого эффекта работают, например, жидкокристаллические дисплеи. Если ориентация кристаллов будет меняться быстрее, это позволит получать более качественное изображение. А если снизить порог напряжения, нужного для переориентации жидкого кристалла, заметно уменьшится энергопотребление мониторов. Эксперименты сибирских ученых уже показали, что допированные азотом наноструктуры позволяют существенно улучшить обе характеристики.