№ 3

Сентябрь/2022

Russian Traveler 03/2022

Ученые побили рекорд плавления платины

Это сделает платину более доступной в качестве катализатора за счет ее превращения в низкотемпературную жидкость.

Давно известно, что благородные металлы, такие как платина, золото, рутений и палладий являются отличными катализаторами химических реакций, поскольку они помогают разрушать химические связи между атомами более эффективно, чем другие металлы.

Но благородные металлы – редкое и дорогое удовольствие, поэтому крупные промышленные производители обычно выбирают более дешевые и менее эффективные альтернативы вроде железа (оно используется в качестве катализатора, например, при массовом производстве удобрений).

Недостатком использования таких катализаторов более низкого качества является то, что их необходимо нагревать до высоких температур, а это увеличивает углеродный след для многих промышленных процессов.

Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее и RMIT в Австралии совершили рекордное достижение, расплавив платину в жидком галлии, и расщепили атомы платины таким образом, что в меньшем количестве платины был больший каталитический потенциал.

Платина обычно имеет температуру плавления 1700 °C. Это означает, что при использовании в качестве катализатора она обычно находится в твердом состоянии. Но в экспериментах по вливанию платины в матрицу галлия, выяснилось, что она принимает температуру плавления галлия – мягкого, серебристого и нетоксичного металла, который плавится в основном при комнатной температуре 29,8 °C.

Одной из полезных характеристик жидкого галлия является то, что он растворяет металлы (как вода растворяет соль и сахар), разделяя отдельные атомы в каждой молекуле. Исследователи говорят, что это изобретение может сэкономить затраты на энергию и снизить выбросы в промышленном производстве.

«Ряд важных химических реакций можно проводить при относительно низкой температуре с использованием более эффективного катализатора, такого как жидкая платина», – говорит Арифур Рахим, ведущий автор исследования.

Когда металлы твердые, в реакциях могут участвовать только внешние атомы, поэтому производится много отходов. Если вы «разбиваете» твердое вещество на множество мелких частиц, вы получаете более эффективную реакцию за счет большего количества атомов. Самая эффективная и самая миниатюрная система позволила бы каждому отдельному атому служить катализатором. 

«Когда вы уменьшаете систему, вы увеличиваете отношение поверхности к объему и эффективность использования атомов, так что общее потребление катализатора со временем уменьшается, и это, возможно, может сделать ваш продукт более доступным. Теоретически вы получаете максимальную эффективность этого каталитического металла, когда он находится в атомном масштабе», – Арифур Рахим.

В одноатомных катализаторах связи, удерживающие катализатор вместе, расщепляются, и каждый атом индивидуально закрепляется в веществе, называемом матрицей. Рахим и его коллеги протестировали галлий в качестве матрицы. После растворения платины в галлии они обнаружили, что каждый атом платины отделяется от другого атома, что делает его идеальным миниатюрным катализатором.

Платина подвижна, когда находится в жидкой матрице, и гораздо менее подвержена проблеме закоксовывания, при которой твердые катализаторы покрываются углеродом и их необходимо очищать перед повторным использованием. Галлий не так дешев, как железо. Но его можно использовать снова и снова для одних и тех же реакций. Это связано с тем, что, как и платина, галлий не деактивируется и не разлагается во время реакции.

Процесс растворения платины в галлии требует повышения температуры примерно до 400°С на несколько часов. Но исследователи говорят, что это единовременное вложение энергии предотвратит дальнейшие скачки температуры позже в процессе химического производства.

Команда надеется, что их метод приведет к более чистым и дешевым продуктам, от удобрений до зеленых топливных элементов.