Ученые улучшили катализаторы для разложения вредного газа
Ученые НИТУ «МИСиС» нашли способ ускорить разложение закиси азота – побочного продукта химической и агропромышленности – очень вредного для озонового слоя газа. Повысить эффективность процесса удалось благодаря новой методике синтеза катализатора разложения. Это позволит быстрее разделять закись азота на безопасные компоненты. Статья о разработке опубликована в Journal of the American Ceramic Society.
Закись азота, N2O, известная многим как «веселящий» или «усыпляющий» газ – на самом деле крайне вредное соединение. Оно не наносит прямого ущерба человеку, но агрессивно воздействует на озоновый слой Земли. Для сравнения, углекислый газ, СО2, также считается неблагоприятным для атмосферы соединением, но при этом закись азота имеет потенциал влияния на глобальное потепление примерно в 310 раз выше.
N2O широко применяется в пищевой промышленности; его также используют в реактивных двигателях и двигателях внутреннего сгорания. Кроме того, закись азота является побочным продуктом целого ряда процессов, например, разложения удобрений и производства адипиновой и азотной кислот, которые применяются в пищевой промышленности, ювелирном деле, в производстве красителей.
Ученые НИТУ «МИСиС» нашли способ ускорить разложение N2O, усовершенствовав условия производства катализатора – феррита лантана LaFeO3. Часто данное неорганическое соединение получают в результате гидротермального синтеза, который длится от 48 часов до нескольких дней.
Команда Лаборатории нанохимии и экологии НИТУ «МИСиС» под руководством д.х.н., профессора Леонида Кустова применила другой подход: синтез катализатора происходил в микроволновой установке. Новый метод дал положительный результат сразу по нескольким параметрам.
Во-первых, процесс синтеза LaFeO3 сократился в 16 раз – всего до трех часов – с одинаковым выходом конечного продукта. Во-вторых, синтезированные в микроволновых условиях частицы LaFeO3 мельче частиц, полученных при термическом нагреве в тех же условиях.
Проведение реакции при микроволновом излучении приводит также к увеличению удельной поверхности образца и количества поверхностного кислорода.
«Если очень упростить, то можно представить, что на одну единицу массы катализатора, полученного термическим методом, будет приходиться одна кубообразная частица. Однако, если катализатор получить микроволновым способом, разработанным нами, то на такую же единицу массы будет приходиться уже 3–4 кубообразных частиц. Суммарно это дает бóльшую площадь поверхности, с которой может прореагировать закись азота», – комментирует главный автор работы, ведущий инженер Лаборатории нанохимии и экологии НИТУ «МИСиС» Егор Костюхин.
Катализатор, полученный в микроволновых условиях, полностью разлагает закись азота уже при 700°C, в то время как катализатор, полученный при термическом нагреве, требует значительно большей температуры: при 700 ºC разлагается лишь около 60 % N2O. То есть, катализатор, полученный новым методом, работает быстрее и эффективнее своего предшественника.
Таким образом, ученые смогли не только в 16 раз ускорить процесс синтеза катализатора, но и значительно улучшить его каталитические свойства. Результаты могут найти свое потенциальное применение в химической промышленности, при переработке побочных отходящих газов с производств адипиновой и азотной кислот.