Применение нанокомпозитов в адсорбции и катализе
Развитиая поверхность композиционных наноматериалов обуславливает их широкое применение в качестве адсорбентов и катализаторов. В частности, был разработан новый класс нанокомпозитных сорбентов категории «соль в пористой матрице». Эти сорбенты являются двухкомпонентными системами и состоят из гигроскопичных неорганических солей (галогениды, сульфаты, нитраты щелочных и щелочно-земельных металлов), диспергированных до наноразмеров путем помещения в мезопоры матрицы (силикагели, оксиды алюминия, пористые угли, природные глины и т.п.). Оказалось, что нанокомпозиты обладают сорбционной емкостью, в несколько раз превышающей емкость промышленных адсорбентов (0,6-1,4 г/г) и невысокой температурой регенерации (80-120°C), и благодаря этому являются перспективными для многочисленных практических приложений.
Показано, что неорганическая соль является основным сорбирующим компонентом композитов. Свойства солей значительно изменяются при заключении в поры матрицы вследствие двух факторов: а) диспергирования до наноразмеров, или так называемого «размерного эффекта», и б) взаимодействия соли с поверхностью матрицы. Рядом взаимодополняющих физико-химических методов (дифференцирующее растворение, РФА, ТГ и ДСК анализ и др.) изучено влияние обоих факторов на химический, фазовый состав и сорбционные свойства композитов.
В порах матрицы соль может образовывать две фазы – поверхностную аморфную и объемную кристаллическую с различными типами сорбционного равновесия с парами воды. При сорбции паров кристаллической фазой соли, вначале происходит образование кристаллических гидратов соли с моновариантным равновесием. Дальнейшая сорбция ведет к образованию в порах раствора соли, система становится дивариантной. Сорбционное равновесие аморфной соли с парами воды является дивариантным во всем интервале сорбции, образования кристаллогидратов не наблюдается.
Химический, фазовый состав и сорбционные свойства нанокомпозитов можно варьировать в широких пределах с помощью ряда параметров, а именно: а) химическая природа соли и матрицы; б) степень диспергирования соли, или пористая структура матрицы; в) содержание соли; и с) условия синтеза композитов. На основе полученных данных продемонстрирована возможность целенаправленного конструирования нанокомпозитов с заданными свойствами. Показана перспективность использования сорбентов в ряде практических приложений, таких, как осушка газовых смесей, безфреоновые адсорбционные холодильники, аккумулирование низкопотенциального тепла, поддержание постоянной влажности для экспонирования и хранения музейных ценностей, активная теплозащита и др.
Чтобы одно вещество вступило в химическую реакцию с другим, необходимы определённые условия, и очень часто создать такие условия не представляется возможным. Поэтому огромное число химических реакций существует только на бумаге. Для их проведения необходимы катализаторы – вещества, которые способствуют протеканию реакции, но не участвуют в них. Примерами таких катализаторов служат переходные металлы, например, титан, железо, родий и др.
Учитывая, что внутренняя поверхность нанотрубок обладает большой каталитической активностью. При сворачивании «графитового» листа из атомов углерода в трубочку происходит усеньшение концентрации электронов на её внутренней поверхности. Это и объясняет, способность внутренней поверхности нанотрубок ослаблять, например, связь между атомами кислорода и углерода в молекуле СО, становясь катализатором окисления СО до СО2.
С другой стороны, на нее могут быть привиты различные функциональные группы или наночастицы металлов, орбладающих высокой каталитической активностью. Чтобы объединить каталитическую способность углеродных нанотрубок и переходных металлов, наночастицы из них ввели внутрь нанотрубок (см. левую часть рисунка). Оказалось, что этот нанокомплекс катализаторов способен запустить реакцию, о которой только мечтали – прямой синтез этилового спирта из синтез-газа (смеси окиси углерода и водорода), получаемого из натурального газа, угля и даже биомассы (см. правую часть рисунка).
(слева) – микрофотография нанотрубок с находящимися внутри них наночастицами; (справа) – схематическое изображение процесса получения этанола из синтез-газа
с помощью нанотрубок и наночастиц.