Специалистам из Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН совместно с лабораторией рентгеновской дифрактометрии Новосибирского государственного университета удалось получить смешанный оксид меди и серебра. Он обладает рядом полезных свойств, позволяющих производить востребованные продукты, и, возможно, обнаруживать следы взрывчатых веществ.

Смешанные оксидные системы давно исследуются в химии: благодаря комбинации различных металлов в структуре ученые получают состояния кислорода, каталитически активные в тех или иных реакциях. Подобные оксиды эффективны в катализе при низких температурах - как в реакциях полного, так и парциального (частичного) окисления. В последнем случае могут быть получены весьма значимые для промышленности продукты: например, окись этилена. На основе данного вещества производятся этиленгликоль, этаноламин, диоксан и полиэтиленгликоли, которые используются для приготовления антифризов и тормозных жидкостей, моющих и чистящих средств, парфюмерных и косметических товаров, ПЭТ-бутылок и даже взрывчатых веществ. Поиск более дешевых и простых систем для производства этих продуктов имеет практический интерес для химиков.

- Мы изучали группу оксидов на основе серебра, меди и других дешевых 3D-металлов - железа, кобальта, никеля, марганца и так далее, - рассказывает ведущий научный сотрудник ИК СО РАН доктор химических наук Андрей Иванович Боронин. - Подобные металл-оксидные системы исследовались только по отдельности, но не вместе. Однако простой совместный синтез показал, что в результате могут быть получены новые смешанные оксиды, обладающие весьма любопытными свойствами. Оказалось, эти системы являются катализаторами как полного, так и парциального окисления. Первое важно для очистки атмосферы от углеродсодержащих загрязнений после широкого применения нефти и газа, а парциальное окисление применяется при получении ценных продуктов и материалов.

Процессы частичного окисления всегда интересовали сибирских химиков, а для нужного результата всегда необходимо изучать фундаментальные аспекты. Так, при эпоксидировании (выборочном окислении) этилена важно, чтобы кислород на поверхности катализатора был в специфическом состоянии: имел низкий заряд и относительно слабую связь с активной поверхностью катализатора.

Для этого ученые начали исследовать смешанные оксиды и варьировать в них состояния кислорода за счет комбинации разных металлов. Толчком для работы в данном направлении послужило изучение каталитических свойств одинарного оксида CuO в его наноразмерном состоянии. Оказалось, что порошки оксида меди CuO показали разный каталитический эффект в зависимости от размера частиц. Обычный крупнокристаллический оксид меди проявлял окислительные свойства только при 150 - 200 °С, а наноразмерные частицы - уже при комнатной температуре.

- У наночастиц CuO оказалась очень мобильная структура: при нагреве в реакционной среде изменялось состояние поверхности, включая соотношение (стехиометрию) кислорода и меди, - добавляет научный сотрудник ИК СО РАН кандидат химических наук Дмитрий Антонович Свинцицкий, который в своей кандидатской диссертации подробно изучил свойства этого оксида. - В итоге по стехиометрии материал отвечал формуле Cu4O3, что по сути является смешанным оксидом меди, находящейся в разных зарядовых состояниях, - одно- и двухвалентном. Оказалось, Cu4O3 имеет в своем составе кислород с аномально высокой реакционной способностью, что и определяет уникальные каталитические свойства.

Протяженную фазу Cu4O3 химики научились синтезировать совсем недавно, так как сделать это нелегко, в то время как наноструктурное состояние данной фазы легко получается в условиях проведения каталитической реакции.

После этого ученые предложили зафиксировать прихотливую структуру с помощью второго металла - серебра. Если заменить им одновалентую медь, можно получить смешанный оксид серебра и меди Ag2Cu2O3. Он показал не менее интересные свойства: структура стала более стабильной, получалась проще, а каталитические свойства оксида только улучшились.

- Современные катализаторы окислительного типа, как правило, содержат дорогостоящие благородные металлы: палладий, платину, золото, - отмечает Андрей Боронин. - Их стоит заменять на более дешевые, и в этом отношении недорогие серебро и медь могут быть своего рода палочкой-выручалочкой для создания таких же эффективных, а возможно и более активных катализаторов - по сравнению с содержащими благородные металлы.

Для проверки соединения химики воздействовали на структуру, тем самым изучив ее устойчивость. Исследуя термическую стабильность, ученые обнаружили: при разложении Ag2Cu2O3 начинает выделяется серебро в виде наночастиц с размерами 5 - 15 нанометров. Процесс происходит упорядоченным образом вдоль определенных кристаллографических направлений. Поэтому на основе таких двойных оксидов открываются новые возможности ориентированного формирования металл-оксидных наноструктур и композитов.

- В разных средах соединение вело себя иначе, - добавляет Дмитрий Свинцицкий. - При разрушении получались мелкие частицы серебра: в среде с гелием - 10 - 15 нанометров, а в среде оксида углерода - 5. Таким образом, с помощью среды можно варьировать дисперсность и, следовательно, свойства этого материала.

Серебро в этом соединении обладает высокой лабильностью (подвижностью). Оно не только выходит, но и в определенных условиях входит в структуру, формируя ее заново, что может применяться в электрохимии. У оксида есть потенциал для использования в качестве компонента электродов для гальванического элемента - источника электрического тока: в новых батареях, аккумуляторах или их частях.

К тому же, по всем признакам полученный нанокомпозит должен характеризоваться эффектом гигантского комбинационного рассеяния света на адсорбированных молекулах. Этот эффект связан с многократным усилением интенсивности спектрального сигнала - в миллион и более раз. Такой феномен характерен для упорядоченных металлических наноструктур, и в данном случае - при выходе серебра из структуры смешанного оксида. Иными словами, когда частицы Ag строго ориентированы на поверхности, этот эффект должен проявляться. Подобная упорядоченность полезна при развитии высокочувствительных аналитических методов, чтобы обнаружить чрезвычайно малые концентрации тех или иных веществ. Например, в аэропорту при досмотре пассажира можно было бы найти частицы взрывчатых материалов или обнаруживать следы запрещенных препаратов в допинг-пробах спортсменов.

Алена Литвиненко

Источники

Сибирские ученые исследовали малоизученный оксид
Наука в Сибири (sbras.info), 05/03/2018
Сибирские ученые создали нанокомпозит для обнаружения взрывчатки и допинга
ТАСС, 05/03/2018
Новосибирские ученые создали смешанный оксид меди и серебра, позволяющий выявлять следы взрывчатки и допинга
Новосибирские новости (nscn.ru), 05/03/2018
Новосибирские ученые получили оксид меди и серебра, необходимый в процессах катализа
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 05/03/2018
Новосибирские ученые получили оксид меди и серебра, необходимый в процессах катализа
БезФормата.Ru Новосибирск (novosibirsk.bezformata.ru), 05/03/2018
Сибирские ученые создали нанокомпозит для обнаружения взрывчатки и допинга
Новости@Rambler.ru, 05/03/2018
Сибирские ученые создали нанокомпозит для обнаружения взрывчатки и допинга
123ru.net, 05/03/2018
Сибирские ученые создали нанокомпозит для обнаружения взрывчатки и допинга
Mirtesen.sputnik.ru, 05/03/2018
Новосибирские ученые исследовали малоизученный оксид
Новости сибирской науки (sib-science.info), 05/03/2018
Оксид меди и серебра поможет отыскать взрывчатку и наркотики
Чердак (chrdk.ru), 06/03/2018
Ученые получили обладающий уникальными свойствами нанокомпозит
Русская планета (rusplt.ru), 07/03/2018
Специалисты ИК СО РАН и НГУ получили смешанный оксид меди и серебра
Научная Россия (scientificrussia.ru), 13/03/2018
Сибирские ученые исследовали малоизученный оксид
Nanonewsnet.ru, 14/03/2018
Специалисты ИК СО РАН и НГУ получили смешанный оксид меди и серебра
Научный портал MSAU.RU, 14/03/2018

Похожие новости

  • 24/11/2017

    Юрий Аристов: суровый климат России может стать ее конкурентным преимуществом

    ​Альтернативная энергетика подразумевает возможность получать тепло и энергию из того, чего много: где-то хватает солнечных дней, где-то — ветра, а чего предостаточно в Сибири? Правильно, холода. Учёные из Института катализа им.
    438
  • 19/09/2017

    Углеводороды будут главными энергоносителями для автомобилей до 2050 года

    ​Углеводороды будут доминировать в качестве энергоносителей для большинства видов транспортных средств как минимум до 2050-х годов. Такой прогноз озвучил на шестом международном энергетическом форуме в Лионе научный руководитель Института катализа Сибирского отделения РАН, лауреат премии "Глобальная энергия-2016" Валентин Пармон.
    429
  • 30/03/2016

    Ученые увеличат прочность углеродных композитов, используя нанотрубки

    ​Среди основных достоинств технологии, развиваемой сотрудниками Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН — низкая стоимость получаемых структур и возможность придавать им различные функциональные свойства.
    1585
  • 23/10/2017

    Что нужно для развития химической отрасли

    ​Развитие химической отрасли немыслимо без инноваций, поэтому особое значение приобретает трансфер современных технологий. Еще лет пятнадцать назад в случае необходимости в том или ином продукте о подобной проблеме не задумывались, и нужная продукция просто импортировалась.
    418
  • 20/12/2016

    В ИК СО РАН разработали способ каталитической утилизации осадков сточных вод

    ​В Институте катализа СО РАН впервые разработан метод каталитической утилизации иловых осадков коммунальных сточных вод – одного из наиболее требовательных и сложных в утилизации видов отходов – с одновременной выработкой энергии для местного теплоснабжения.
    1098
  • 20/02/2017

    Новосибирские ученые предлагают недорогой способ утилизации отходов канализации

    ​Утилизировать отходы сточных вод с помощью катализаторов предложили новосибирские ученые. Обычно иловые осадки складируют на специальных полигонах или сжигают с применением песка. Это затратно и неэкологично.
    922
  • 07/04/2017

    Катализатор для экономики

    Сорок современных лабораторий за два года планируют создать на предприятии, которое занимается разработкой и производством катализаторов. Преобразования заметны, компании конкурентоспособны, а развиваемые ими направления перспективны.
    852
  • 26/07/2016

    Ученые СО РАН знают, как создать аэрогель

    ​Высокотехнологичные материалы, которые производят ученые новосибирского Академгородка, можно использовать не только в космических опытах или экспериментах на встречных пучках, но также в стеклопакетах и при теплоизоляции зданий.
    1199
  • 24/04/2018

    Как сделать жилье более доступным и экологичным?

    ​​Дом - это что-то теплое, уютное и, на первый взгляд - очень консервативное. Но на самом деле и строительство попевает за техническим прогрессом. Как сделать жилье более доступным, дешевым, экологичным? Мы создали краткий обзор тенденций и технологий будущего, которые появляются уже сейчас.
    206
  • 08/12/2016

    Новосибирские химики производят уникальные композитные материалы для сжигания топлива

    ​Специалисты Новосибирского государственного университета и институтов СО РАН создают керамометаллические композитные матрицы на основе порошка алюминия, его оксида и сплавов. Эти уже успешно испытанные материалы обладают уникальными характеристиками, в частности, высокой теплопроводностью, и используются для структурированных катализаторов процессов сжигания и трансформации топлив.
    1450