CC BY
11
УДК 54.027: 544.478-03: 544.723: 544.72.02: 546.59
Кудинова Е.С., Вораксо И.А., Панюкова Н.С., Нестерова Н.И., Боева О.А.
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТАЛИТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ РАЗЛОЖЕНИЯ СОЛИ, В РЕАКЦИИ ОРТО-ПАРА КОНВЕРСИИ ПРОТИЯ
Кудинова Екатерина Сергеевна, студент 5 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии, e-mail: [email protected];
Вораксо Иван Андреевич, студент 5 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии, e-mail: [email protected];
Панюкова Наталия Сергеевна, студент 4 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии, e-mail: [email protected];
Нестерова Наталия Игоревна, студент 4 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии, e-mail: [email protected]@mail.ru;
Боева Ольга Анатольевна, к.х.н., доцент кафедры технологии изотопов и водородной энергетики, e-mail: [email protected];
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
В работе проведено исследование каталитической активности наночастиц золота, полученных методом пропитки носителя из пористого оксида алюминия раствором хлорида золота III и дальнейшего разложения соли. Установлено, что полученные наночастицы проявляют каталитическую активность в широком интервале температур от 77 до 500 К. Показано, что в высокотемпературной и низкотемпературной областях реакция конверсии идёт по разным механизмам, подтверждено отсутствие размерного эффекта для каталитических свойств наночастиц золота в реакции орто-пара конверсии протия.
Ключевые слова: наночастицы, золото, орто-пара конверсия, водород, катализ.
STUDY OF THE CATALYTIC PROPERTIES OF GOLD NANOPARTICLES OBTAINED BY SALT DECOMPOSITION IN THE IN THE REACTION OF ORTHO-PARA CONVERSION OF PROTIUM
Kudinova E.S., Vorakso I.A., Panyukova N.S., Nesterova N.I., Boeva O.A D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this paper, we studied the catalytic activity of gold nanoparticles obtained by impregnating a carrier from porous alumina with a solution of gold chloride III and further salt decomposition. It was found that the obtained nanoparticles exhibit catalytic activity in a wide temperature range from 77 to 500 K. It was shown that in the high-temperature and low-temperature regions the conversion reaction proceeds by different mechanisms, the absence of the size effect for the catalytic properties of gold nanoparticles in the protium conversion is confirmed.
Keywords: nanoparticles, gold, ortho-para conversion of hydrogen,catalytic properties.
Методика синтеза
Раствор соли золота AuCl3 (5 г соли в 100 мл воды) приготовлен из расчёта 0,01 г Au на 1 г у-Al2O3. Объём раствора 4,5 мл. 2 г оксида алюминия (y-Al2O3) пропитано 4,5 мл раствора в течение суток. Далее образец прогрет с целью испарения воды и прокален для разложения соли AuCl3 на поверхности носителя.
Определение размеров наночастиц
Для определения структуры и размеров наночастиц на поверхности носителя образец исследован методом ПЭМ. На рис.1 представлена часть поверхности образца с явно различимыми частицами.
Полученные фотографии обработаны в программе Nano Measurer 1.2. Для определения размера обработано 300 частиц. Средний размер частиц составил 5-7 нм (рис. 2). Распределение частиц по размерам достаточно широкое, что объясняется методикой синтеза. Часть частиц на поверхности образует скопления, т.н. агломераты.
Для оценки размеров таких скоплений выделено 100 агломератов и обработано в той же программе. Средний размер агломератов составил от 14,7 до 22,1 нм.
Рис.1. ПЭМ-фотография исследуемого образца
IgKvA
1
• •
• • ■ ■
• •
V=-0,4277x+14.916 • •
35,00
Доля, %
30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00
0,00 ®
3-5,1 5,1-7,2
Рис.2. Распределение наночастиц по размерам
Наличие полиразмерных наночастиц и их агломератов на поверхности является основным недостатком использованной методики синтеза. Однако, данный метод имеет весомое преимущество -в готовой каталитической системе отсутствуют органические и неорганические восстановители, то есть на поверхности носителя остаются чистые золотые наночастицы без примесей. Эта особенность представляет интерес для изучения полученной каталитической системы в реакции орто-пара конверсии протия. Экспериментальная часть
Исследования проводились в стеклянной высоковакуумной установке, состоящей из четырёх основных частей: системы откачки, реакционного объёма, системы измерения давления и системы откачки газа. Реакция проводилась в широком интервале температур от 77 К до 500 К. Для создания низких температур использовались следующие хладагенты: жидкий азот (77 К), жидкий аргон (87 К), жидкий метан (110 К), морозильная смесь на основе н-пентана (141 К - 173 К) морозильная смесь на основе петролейного эфира (173 К - 273 К). Высокие температуры создавались нагревом реактора в печке. Результаты и их обсуждение
На рисунке 3 представлена зависимость логарифма удельной каталитической активности от обратной температуры. Изучая пара-орто и орто-пара конверсию протия в широком интервале температур можно судить о механизмах, по которым протекает реакция в разных диапазонах температур. Левая ветвь графика соответствует температурам от 488 до 298 К и относится к пара-орто конверсии. Тангенс угла наклона прямой говорит о наличии или отсутствии энергии активации. Для данной температурной области энергия активации реакции равна 8,2±0,1 кДж/моль, что говорит о химическом механизме протекания реакции. Правая ветвь графика соответствует температурам от 110 до 77 К. Тангенс угла наклона прямой равен нулю, следовательно, равна нулю и энергия активации реакции конверсии в данном интервале температур. Это позволяет сделать вывод о протекании конверсии по физическому, магнитному механизму, в низкотемпературной области. Точки между ветвями соответствуют интервалу температур от 141 до 243 К. Здесь происходит смена механизма реакции конверсии.
о 2 4 6 3 10 12 14
1000/Г, к1
Рис.3. Зависимость удельной каталитической активности от температуры в арренусовских координатах
Полученный результат хорошо сопоставим с результатами предыдущих работ с наночастицами других размеров в реакции орто-пара конверсии. Размерного эффекта в свойствах наночастиц золота в данной реакции не наблюдается [1].
lgK,„
• •
• • ___ё
О Б 10 15 20 25 30 ЗБ 40 45
Размер I 11 г.-
Рис.4. Размерная зависимость логарифма удельной
каталитической активности от размера наночастиц Выводы
Наночастицы золота размером 5-7 нм обладают высокой каталитической активностью в реакции орто-пара конверсии протия. Исследованиями реакции в широком диапазоне температур подробно рассмотрены механизмы орто-пара и пара-орто конверсии протия, протекающих при разных температурах.
Список литературы
1. Boeva O.A., Odintsov A.A., Solovov R.D., Abkhalimov E.V., Zhavoronkova K.N., Ershov B.G. Low-temperature ortho-para hydrogen conversion catalyzed by gold nanoparticles: Particle size does not affect the rate // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42. Р. 22897- 2902.
2. Boeva O.A., Zhavoronkova K.N., Odintzov A.A., Abkhalimov E.V., Solovov R.D., Ershov B.G. Ortho-Para Hydrogen Conversion Catalyzed by Gold Nanoparticles // Nanocon. 2017 . Conference Proceedings, 9th International Conference on Nanomaterials - Research & Application. 2018. Т. 2017. Р. 308-314.
3. Исследование влияния магнитного поля на каталитические свойства наночастиц золота и серебра в реакции орто-пара конверсии протия // Успехи в химии и химической технологии. 2018. Т. 32. Вып. 9. С. 77-79.
