CC BY
34
Успехи в х&мии и химической технологии. ТОМ XXXI. 2017. № 10
УДК 54.027: 544.723: 544.47: 546.59
Свержевский Р.В., Орлов М.О., Одинцов А.А., Боева О.А.
ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА И КАТАЛИТИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ОКСИДА ГАДОЛИНИЯ И НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА НА ОКСИДЕ ГАДОЛИНИЯ
Свержевский Роман Викторович, студент 5 курса института материалов современной энергетики и нанотехнологии;
Орлов Максим Олегович, студент 5 курса института материалов современной энергетики и нанотехнологии; Одинцов Александр Андреевич, ведущий инженер кафедры технологии изотопов и водородной энергетики, email: [email protected];
Боева Ольга Анатольевна, к.х.н., доцент кафедры технологии изотопов и водородной энергетики Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
Исследованы адсорбционные и каталитические свойства наночастиц золота, нанесённых на оксид гадолиния, и чистого носителя Gd2O3. Показано, что при наложении магнитного поля в 0.5 Тл появляется адсорбция водорода на оксиде гадолиния, а на композитной системе Au/Gd2O3 первичная адсорбция увеличивается в 2 раза. Магнитное поле оказывает влияние на скорость протекания реакции орто-пара конверсии протия на изученных объектах.
Ключевые слова: магнетизм, золото, наночастицы, орто-пара конверсия водорода, адсорбция водорода, каталитическая активность, оксид гадолиния
MAGNETIC FIELD INFLUENCE ON ADSORPTION AND CATALYTIC ACTIVITY OF GADOLINIUM OXIDE AND GOLD NANOPARTICLES DEPOSITED ON GADOLINIUM OXIDE
Sverzhevsky R.V., Orlov M.O., Odintsov A.A., Boeva O.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The adsorption and catalytic properties of gold nanoparticles deposited on gadolinium oxide, and clean adsorbent gadolinium oxide investigated. It is shown, that applying a magnetic field about 0.5 Tesla hydrogen adsorption appears on gadolinium oxide, and primary adsorption on composite system of Au/Gd2O3 increased by 2 times. A magnetic field influence to speed of reaction of orhto-para protium conversion for studied objects.
Keywords: magnetism, gold, nanoparticles, ortho-para hydrogen conversion, hydrogen adsorption, catalytic activity, gadolinium oxide
Цель: изучение влияния магнитного поля на адсорбционные и каталитические свойства наночастиц золота, нанесенных на подложку из оксида гадолиния.
Золото является инертным металлом и не проявляет никаких магнитных и каталитических свойств в виде массивного металла при нормальных условиях. Однако при уменьшении до наноразмеров частицы золота начинают проявлять магнитные и каталитические свойства [1]. В наших
экспериментах исследовались адсорбционные свойства и каталитическая активность в реакции орто-пара конверсии водорода на наночастицах золота размером 14.4 нм. В качестве носителя активного компонента выбран оксид гадолиния, т.к. данный металл и его оксид обладают огромным магнитным моментом, примерно 8 магнетонов Бора.
Прежде чем проводить эксперименты с золотом, было принято решение провести ряд "холостых" исследований с чистой подложкой из оксида гадолиния. В исследованиях использовался Gd2O3 в виде частиц диаметром 0.35-0.5 мм, полученных с помощью измельчения прессованного порошка с
последующим просеиванием через сита с заданными диаметрами. Перед исследованиями Gd2O3 прокаливался при 300 0С на воздухе, а затем при той же температуре в вакууме ~10-6 Торр в течение 3-х часов.
Исследования адсорбции водорода на оксиде гадолиния показали, что водород как при низких температурах (-196 0С, -163 0С), так и при комнатной температуре (23 0С) не адсорбируется (рис. 1).
Ллсорбипя Bo.iopo.ia на <.d;0;
м
1Д
1
I).«
0,6 0,4
од о .0,2
А*
♦0Т.1 □0Т.1
А0,ЯЕ X0,f т.1 •0,5 Тл
-□-13-
40 «О SO 100 Равновесий?дзв.теив? Р I орр
Рис. 1. Адсорбция водорода на оксиде гадолиния при температуре -196 0С с приложенным магнитным полем и в его отсутствии
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXXI. 2017. № 10
При внесении образца в магнитное поле наблюдается распределение частиц носителя вдоль силовых линий магнитного поля, и вместо «кучки» порошка на дне реактора видно его распределение по стенкам (рис.2) реактора на высоте, где располагаются магниты. В работе использованы четыре круглых неодимовых магнита с общей величиной магнитного поля внутри кольца 0.5 тесла.
На порошке Gd2O3 при наложении магнитного поля появляется адсорбция водорода при -196 0С (рис. 1). При соударении с поверхностью Gd2O3 часть молекул газа задерживается на поверхности на некоторое время, определяемое интенсивностью поверхностного силового поля. Область действия поверхностных сил имеет размеры порядка 10-8 см, т.е. меньше, чем диаметр адсорбируемой молекулы.
Поэтому обычно распространение физической адсорбции ограничивается мономолекулярным слоем газа. Под действием магнитного поля может также наблюдаться поляризация молекулы водорода, что также может сказываться на адсорбционной способности.
Композитная система на основе наночастиц золота и оксида гадолиния получена пропиткой порошка Gd2O3 коллоидным раствором, содержащим наночастицы золота размером 14.4 нм, полученные цитратным восстановлением. Процесс нанесения частиц контролировался спектрофотометрически (рис. 3) в течение 7 дней. На основании результатов анализа был сделан вывод об окончании процесса осаждения наночастиц золота из раствора на подложку.
Рис. 2. Образец порошка оксида гадолиния в реакторе без магнитного поля (а) и при внесении его в магнитное поле
неодимовых магнитов (б, в)
i 0,1
- 0,06 DE
И 0.04
'i —
О о
Нанесение НЧ Ли lia (id,О,
«сходныit раствор наночастнцзолота
[осле адсорбции НЧ Аи на Gd,0,
400 450 500 550 600 650 700 750 Длина болиы X, нм
Рис. 3. Спектры поглощения раствора наночастиц золота до и после нанесения на оксид гадолиния
При изучении адсорбции водорода на системе Au/Gd2O3 в отличие от чистого носителя адсорбция наблюдалась и при -196 иС, и при -163 0С. При наложении магнитного поля количество молей водорода, адсорбированного в монослое, увеличивается в среднем в 1.5^2 раза.
При изучении каталитической активности образцов Au/Gd2O3 и Gd2O3 показано, что они являются активными катализаторами реакции орто-пара конверсии протия. При наложении магнитного поля активность обеих систем увеличивается. Причина повышения скорости протекания реакции может быть объяснена двумя вариантами. Во-первых, как показали исследования
низкотемпературной адсорбции водорода, при наложении магнитного поля увеличивается
количество адсорбированного протия, т.е. увеличивается количество активных центров на поверхности катализатора. Во-вторых, реакция орто-пара конверсии протия описывается магнитным механизмом, поэтому наложение магнитного поля, вероятно, усиливает магнитные свойства, что и приводит к увеличению скорости протекания реакции.
Адсорбцяа водорода на Vi
1.« 1,4
U
<ь ' I оч | 0.Í = 0,4 0,1
X 0,5 1.1
РавнавегносмявлевиеР, ГОрр
Рис. 4. Адсорбция водорода на Au/Gd203 при -196 "С с приложенным магнитным полем и в его отсутствии
Список литературы 1. Gareth L. Nealon, Bertrand Donnio, Romain Greget, Jean-Paul Kappler, Emmanuel Terazzi and Jean-Louis Gallani. Magnetism in gold nanoparticles. // Nanoscale. 2012, 4, 5244.
