Ученые ФИЦ "Институт катализа СО РАН" предложили новый подход к синтезу ценных для химической промышленности и энергетики компонентов, представляющих собой нанодисперсные керамические материалы на основе церия и циркония со структурой пирохлора. Синтез проводят с помощью углеродной оболочки. Этот метод позволяет стабилизировать размер частиц оксида и предотвращает их спекание в процессе высокотемпературного приготовления. Высокая удельная поверхность и кислородная емкость материала делают его востребованным в различных каталитических приложениях.
Пирохлор представляет собой строго упорядоченную кубическую кристаллическую структуру, где катионы церия и циркония, а также кислородные вакансии занимают фиксированные позиции. Это определяет его уникальные свойства в плане эффективности запасания кислорода и скорости диффузии за счет упорядоченных вакансий. Высокая удельная поверхность делает отклик материала очень быстрым. Материалы со структурой пирохлора используют в альтернативной энергетике, металлургии, электронике и катализе.
Несмотря на большую площадь поверхности, эффективность церия для хранения кислорода в тетрагональной фазе аналогичного состава ограничена из-за статистически случайного распределения атомов циркония и церия в кристаллической структуре. При типичных условиях работы катализатора для нейтрализации выхлопов бензинового двигателя она обеспечивает лишь около 60% эффективности использования церия, в то время как для структуры на основе пирохлора этот показатель достигает почти 98%.
Для получения материалов с содержанием фазы пирохлора не менее 50% необходимы высокие температуры 1300-1400 oC и длительное время. При этом удельная поверхность синтезированного обычным методом материала составляет менее 1 м2/г, что делает его непригодным для большинства каталитических применений. Обычно ученые проводят подобный процесс при 1200 oC и ниже, балансируя между содержанием фазы пирохлора, определяющей эффективность по кислородной емкости, и удельной поверхностью.
Ученые ФИЦ "Институт катализа СО РАН" впервые продемонстрировали возможность синтеза материала со структурой пирохлора с помощью углеродной оболочки при температурах 1400 oC с содержанием фазы не менее 60% и удельной поверхностью 74 м2/г, что в 70 раз больше, чем при обычном методе. Оболочка наносится на частицы во время прокаливания и формирует несколько слоев углерода на них, что позволяет предотвратить спекание и улучшить кислородную проводимость.
Методика требует тщательного подбора условий. Если найдутся хотя бы небольшие участки соседних частиц, не закрытых углеродной оболочкой, то такие частицы неизбежно начнут спекаться во время синтеза, уменьшая дисперсность материала. Высокодисперсные материалы пирохлорового типа интересны для катализа благодаря своим уникальным свойствам в отношении запасания кислорода и скорости диффузии.
Ученые планируют исследовать каталитические свойства пирохлоров, модифицированных металлами платиновой группы, в процессах полного окисления.
