Исследователи из США разработали новую стратегию, позволяющую
предсказывать свойства биметаллических катализаторов и разрабатывать
новые более активные.
Разработанные исследователями теоретические модели уже были успешно
использованы на практике для создания никель-палладиевого катализатора,
который, по словам разработчиков, представляет собой наиболее
эффективный в настоящее время катализатор реакции разложения аммиака.
Реакция разложения аммония в настоящее время привлекает особенно
пристальное внимание в связи с тем, что аммиак рассматривается как
потенциальный хранитель водорода для энергетики будущего.
Предсказывать свойства катализаторов, в состав которых входит более
чем один металл достаточно сложно, поскольку свойства смеси металлов не
всегда являются промежуточными свойствами между образующими катализатор
исходными металлами.
Однако, как отмечает Дионисиос Влачос (Dionisios Vlachos) из
Университета Делавэра, в литературе оставались предположения о
возможности прогнозирования свойств полиметаллических катализаторов по
свойствам образующих их металлов. В группе Влачоса был разработан
подход, позволяющий предсказывать свойства биметаллических гетерогенных
катализаторов на основе результатов квантово-химических расчетов методом
функционала плотности (DFT).
Влачос поясняет, что расчеты с помощью метода функционала плотности
'позволяют выявить взаимосвязь между строением катализатора и его
свойствами. Для точного предсказания свойств катализатора мало учитывать
его состав, необходим учет архитектуры катализатора, расположения
образующих катализатор атомов в пространстве. Исследователь отмечает,
что применявшиеся ранее упрощенные подходы не могут адекватно описать
химические процессы, протекающие в ходе каталитической реакции.
Исследователи из группы Влачоса использовали расчеты для скрининга
библиотеки микрокинетических моделей разложения молекул аммиака на
различных биметаллических материалах, взятых в качестве катализаторов.
Исходя из того, что для монометаллического катализатора важным фактором
каталитической активности является энергия связывания азота с
поверхностью металла, исследователи рассчитали эту энергию для
материалов, состоящих из смеси металлов. Один из изученных
биметаллических катализаторов – никель-платиновый характеризуется
энергией связывания, близкой к энергии связывания самого эффективного в
настоящее время монометаллического катализатора – рутения. Полученные с
помощью расчетов предсказания были подтверждены экспериментально –
каталитическая активность никель-платинового катализатора при 50°C
соответствует каталитической активности рутениевого катализатора при
350°C.
Влачос отмечает, что главная ценность работы заключается в создании
системы, позволяющей подобрать перспективные биметаллические
катализаторы. Содержащие платину материалы вряд ли могу стать
экономичной заменой рутению, однако исследователь из Делавэра полагает,
что принципы, заложенные в работе могут оказаться полезными для поиска
новых дешевых и каталитически активных материалов не только для
ускорения процесса разложения аммиака, но и для селективного окисления
моноксида углерода, очистки водорода и гидрирования водорода.
Сhemport
| 