Непостійність каталізатора

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Каталізатор – головний герой у п’єсах сучасної хімії, який може прискорити реакції в десятки і сотні разів, а також робити раніше неможливі реакції нині можливими, – виявився непостійним. Він змінюється сам, беручи участь у реакціях, причому іноді на краще, іноді на гірший бік. Щось таке з ним у ході реакцій відбувається. Але що? Явище це помічено вже давно, проте механізм його залишається багато в чому незрозумілим.

Вчені провели докладне дослідження металів, які зазвичай використовуються як промислові каталізатори. І ось що з’ясувалося. Метали в ході каталізу перш за все беруть в облогу на себе кисень, відбувається так звана його хемосорбція. Але атоми кисню розселяються на поверхні монокристалу зовсім не поступово. Як з’ясувалося при використанні методу дифракції повільних електронів, «поселення» утворюють складні впорядковані фігури, що в чомусь, ймовірно, повторюють ребра, що чергуються, і грані кристалічної структури. Ця нерівномірність поверхневої структури і сама по собі може сильно впливати на швидкість реакції, що запускається. Так, у кристала іридію різні його грані різняться між собою за каталітичною активністю в 2,5 рази. Але буває ще гірше.

Кисень у ряді випадків проникає в глиб поверхневого шару металу і порушує встановлений там порядок. Його атоми зміщують у сторони атоми металу у вузлах кристалічних решіток, вступають із нею в оксиди, у результаті поверхня покривається корозією.

За допомогою методу електронної ожеспектроскопії вчені перевірили, як впливає температура на хемосорбцію кисню на різних металах, у тому числі на нікелі, рутенії, іридії, платині та паладії. Досліди показали дуже складну залежність хемосорбції від температури в її межах приблизно від 300 до 1300 градусів Кельвіна.

Як це все впливає на каталітичну активність? Дуже суттєво. Скажімо, для рутенію, нікелю та кобальту вона різко зростає, коли на їх поверхню встигає осісти перший шар атомів кисню. Але потім, у міру їхнього переходу вглиб металу, вона знову слабшає.

Вчений відносить цю особливість за рахунок того, що кисень, що знаходиться під поверхнею металу, пов’язаний там у оксиди і тому втрачає свою реакційну здатність.

Виявлені особливості при їх впровадженні в промисловий хімічний синтез можуть призвести до великої економії сировини, енергії, а також дуже дорогих металевих каталізаторів.