Непостоянство катализатора
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Катализатор — главный герой в пьесах современной химии, который может ускорить реакции в десятки и сотни раз, а также делать ранее невозможные реакции ныне возможными,— оказался непостоянным. Он меняется сам, участвуя в реакциях, причем иногда в лучшую, иногда в худшую сторону. Что-то такое с ним в ходе реакций происходит. Но что именно? Явление это замечено уже давно, однако механизм его остается во многом неясным.
Ученые провели подробное исследование металлов, обычно используемых в качестве промышленных катализаторов. И вот что выяснилось. Металлы в ходе катализа прежде всего осаждают на себя кислород, происходит так называемая его хемосорбция. Но атомы кислорода расселяются по поверхности монокристалла совсем не равномерно. Как выяснилось при использовании метода дифракции медленных электронов, «поселения» образуют сложные упорядоченные фигуры, в чем-то, по всей вероятности, повторяющие чередующиеся ребра и грани кристаллической структуры. Эта неравномерность поверхностной структуры и сама по себе может сильно влиять на скорость запускаемой реакции. Так, у кристалла иридия разные его грани различаются между собой по каталитической активности в 2,5 раза. Но бывает еще хуже.
Кислород в ряде случаев проникает в глубь поверхностного слоя металла и нарушает установившийся там порядок. Его атомы смещают в стороны атомы металла в узлах кристаллической решетки, вступают с ними в окислы, в результате чего поверхность покрывается коррозией.
С помощью метода электронной оже-спектроскопии ученые проверили, как влияет температура на хемосорбцию кислорода на разных металлах, в том числе на никеле, рутении, иридии, платине и палладии. Опыты показали весьма сложную зависимость хемосорбции от температуры в ее пределах от примерно 300 до 1300 градусов Кельвина.
Как все это влияет на каталитическую активность? Очень существенно. Скажем, для рутения, никеля и кобальта она резко возрастает, когда на их поверхность успевает осесть первый слой атомов кислорода. Но затем, по мере их перехода вглубь металла, она снова ослабевает.
Ученый относит эту особенность за счет того, что кислород, находящийся под поверхностью металла, связан там в окислы и потому уже теряет свою реакционную способность.
Выявленные особенности при их внедрении в промышленный химический синтез могут привести к большой экономии сырья, энергии, а также порой весьма дорогих металлических катализаторов.