Сучасні проблеми нанокаталізу (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 21 травня 2014 р.)

Розглянуто основні проблеми нанокаталізу — галузі фізичної хімії, яка бурхливо розвивається в останні десятиліття. Проаналізовано прояви нанорозмірного ефекту в каталізі. Висвітлено основні підходи щодо розроблення нових гетерогенно-каталітичних процесів та каталізаторів на основі...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Вісник НАН України
Date:	2014
Main Author:	Стрижак, П.Є.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2014
Subjects:	З кафедри Президії НАН України
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69818
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Сучасні проблеми нанокаталізу (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 21 травня 2014 р.) / П.Є. Стрижак // Вісн. НАН України. — 2014. — № 7. — С. 16-24. — Бібліогр.: 3 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860238436077666304
author	Стрижак, П.Є.
author_facet	Стрижак, П.Є.
citation_txt	Сучасні проблеми нанокаталізу (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 21 травня 2014 р.) / П.Є. Стрижак // Вісн. НАН України. — 2014. — № 7. — С. 16-24. — Бібліогр.: 3 назв. — укр.
collection	DSpace DC
container_title	Вісник НАН України
description	Розглянуто основні проблеми нанокаталізу — галузі фізичної хімії, яка бурхливо розвивається в останні десятиліття. Проаналізовано прояви нанорозмірного ефекту в каталізі. Висвітлено основні підходи щодо розроблення нових гетерогенно-каталітичних процесів та каталізаторів на основі сучасних наноматеріалів, зокрема наночастинок перехідних і благородних металів, різноманітних оксидних наносистем, нанопористих матеріалів, двовимірних наносистем. Сформульовано напрями подальших досліджень. Рассмотрены основные проблемы нанокатализа — области физической химии, которая стремительно развивается в последние десятилетия. Проанализированы проявления наноразмерного эффекта в катализе. Освещены основные подходы создания новых гетерогенно-каталитических процессов и катализаторов на основе современных наноматериалов, в частности наночастиц переходных и благородных металлов, различных оксидных наносистем, нанопористых материалов, двумерных наносистем. Сформулированы направления дальнейших исследований. We consider the main problems of nanocatalysis, which is a branch of physical chemistry that is rapidly developing during last decades. The main consequences of nanosize effect for catalysis are discussed. We also highlight the main approaches for developing new heterogeneous catalytic chemical processes and catalysts based on modern nanomaterials, particularly, metal nanoparticles, various oxide nanosystems, nanoporous materials, and two-dimensional nanosystems. The main directions of further studies are discussed.
first_indexed	2025-12-07T18:27:02Z
format	Article
fulltext	16 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ НАНОКАТАЛІЗУ За матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 21 травня 2014 року Вступ Ефективність промисловості розвинених країн світу знач ною мірою зумовлена використанням сучасних гетерогенно-ка та- літичних процесів. Безпосередній та опосередкований внесок гетерогенного каталізу у внутрішній валовий продукт техно- логічно розвинених країн становить від 20 до 40 %. В Україні понад 90 % продукції хімічної промисловості виробляється в ге те рогенно-каталітичних процесах. Каталіз є одним із основних напрямів наукових досліджень Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН Украї- ни ще з часів заснування установи в 1927 р. Видатний внесок у розвиток каталізу зробили академіки Л.В. Писаржевський і В.А. Ройтер, члени-кореспонденти НАН України Я.Б. Горохо- ватський, В.М. Власенко, Г.І. Голодець. Вагомий внесок у сучас- ну науку про каталіз зробили видатні професори, які працюва- ли в Інституті: В.М. Бєлоусов, В.Я. Вольфсон, Н.І. Ільченко, Г.П. Корнійчук, М.В. Павленко, М.В. Поляков, М.Я. Рубанік, М.Т. Русов, М.П. Самченко, О.А. Стрєльцов. Результати цих досліджень сприяли вирішенню багатьох фундаментальних і практичних проблем каталізу, але, водно- З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИНАН УКРАЇНИ СТРИЖАК Петро Євгенович — член-кореспондент НАН України, завідувач відділу Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України Розглянуто основні проблеми нанокаталізу — галузі фізичної хімії, яка бурхливо розвивається в останні десятиліття. Проаналізовано прояви на- норозмірного ефекту в каталізі. Висвітлено основні підходи щодо розро- блення нових гетерогенно-каталітичних процесів та каталізаторів на основі сучасних наноматеріалів, зокрема наночастинок перехідних і благо- родних металів, різноманітних оксидних наносистем, нанопористих ма- теріалів, двовимірних наносистем. Сформульовано напрями подальших досліджень. Ключові слова: каталіз, нанокаталіз, каталізатор, наноматеріали. ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 17 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ час, поставили низку нових фундаментальних проблем, розв’язання яких спрямоване як на глибше розуміння каталітичних явищ, так і на створення більш ефективних промислових ка- талітичних процесів. Такі проблеми сьогодні вирішуються на но- вому рівні завдяки розвитку нанонаук. Нано- каталіз можна неформально визначити як ката- ліз наноматеріалами, характерний розмір яких перебуває в діапазоні 1—100 нм. Нанокаталіз є одним із нових актуальних напрямів фізичної хімії. Цей напрям надзвичайно стрімко розви- вається і охоплює широке коло сучасних хіміч- них процесів, вивчення яких уперше в Україні та одними з перших у світі було започатковано в Інституті фізичної хімії ім. Л.В. Писаржев- ського НАН України. За результатами таких досліджень уже видано дві монографії з нано- фотокаталізу [1, 2]. Термін «нанофотокаталіз» було вперше вве- дено академіком НАН України В.Д. Походен- ком та членом-кореспондентом НАН України С.Я. Кучмієм ще в 2005 р., тоді як бурхливе зростання публікацій у світовій науковій літе- ратурі з використанням терміна «нанокаталіз» спостерігається лише з 2006 р. В Інституті започатковано проведення між- народних конференцій «Нанофотоніка» та «Сучасні проблеми нанокаталізу». Стрімкий розвиток нанокаталізу пов’язаний як з розвитком методів синтезу наноматеріалів контрольованої структури, серед яких особли- вий інтерес становлять наночастинки металів та їх оксидів, нанореактори на основі нанопо- ристих матеріалів, нанокомпозити, двовимірні наноструктури, так і з революційним розвитком фізико-хімічних методів дослідження речовин на нанорозмірному масштабі. Саме завдяки та- кому прогресу в нанотехнологіях нанокаталіз сьогодні дозволяє вирішувати проблеми ціле- спрямованого регулювання швидкості та селек- тивності гетерогенно-каталітичних процесів. Нанорозмірний ефект у каталізі Нанорозмірний ефект у каталізі полягає в сут- тєвій залежності швидкості перебігу гете ро- генно-каталітичного процесу від розміру ак- тивної фази нанокаталізатора в нанодіапазоні. Найяскравіше такий ефект виявляється у ви- падку нанорозмірного золота. Наночастинки золота, розмір яких перебуває у вузькому ін- тервалі 2,5—3,5 нм, мають каталітичну актив- ність у модельній окисно-відновній реакції окиснення монооксиду вуглецю киснем, тоді як масивне золото не виявляє жодної каталі- тичної активності. Нанорозмірне золото, нане- сене на різні носії, є активним і в інших проце- сах, зокрема в окисненні вуглеводнів та від- новленні оксидів азоту. Характерною ознакою таких процесів є немонотонна залежність ката- літичної активності від розміру наночастинок золота в діапазоні 2—5 нм. Дослідження ката- літичних властивостей нанорозмірного золота, яке виявляє надзвичайно високу активність і селективність в окисно-відновних реакціях, радикально змінили традиційні уявлення про каталітичну інертність цього металу, що стало визначальним поштовхом для проведення до- сліджень каталітичних властивостей нанома- теріалів в останні десятиліття. Однак і дотепер немає загальноприйнятого пояснення явища, пов’язаного з появою ката- літичної активності матеріалів у нанорозмір- ному діапазоні. Дослідження фізико-хі міч них властивостей різноманітних наноматеріалів установили можливість прояву кван тово- роз мірного ефекту, зумовленого залежністю Рис. 1. Типові нанокаталізатори 18 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ енергетичних рівнів системи від її розміру. Пе- реконливим прикладом прояву квантово-роз- мірного ефекту в нанокаталізі є оксид цинку — класичний нанооб’єкт, наночастинкам якого властиві квантово-розмірні ефекти. Такі ефек- ти приводять до збільшення ширини заборо- неної зони, підвищення редокс-потенціалу валентної зони та зони провідності за умови зменшення розміру наночастинок. Зміна роз- міру наночастинок оксиду цинку у вузькому інтервалі 2—3 нм спричинює значні зміни їх каталітичної активності, що є проявом кван то- во-розмірного ефекту в нанокаталізі. Крім квантово-розмірного ефекту залеж- ність каталітичної активності від розміру ак- тивного компонента каталізатора може бути зумовлена багатьма факторами, детально про- аналізованими в огляді [3]. Згідно з класични- ми уявленнями щодо структурної чутливості гетерогенно-каталітичних реакцій (тобто за- лежності швидкості реакції від розміру актив- ної фази), зміна швидкості зі зміною розміру наночастинки може бути спричинена різною каталітичною активністю активних центрів, розташованих на гранях, ребрах та кутах нано- кристала, тобто суто геометричним ефектом. Геометричними ефектами можна пояснити за- лежність каталітичної активності від розміру. Ці ефекти є сьогодні найбільш зрозумілими та дослідженими. Ефект загальної поверхні полягає в тому, що зі зменшенням розміру наночастинок збіль- шується питома поверхня матеріалу, внаслідок чого підвищується ефективність каталізатора. Аналогічними є ефекти збільшення кількості поверхневих атомів, зростання кількості дефектів та зміни кількості низькокоорди- нованих атомів. Каталіз може відбуватися на атомах, що знаходяться на межі (по пери- метру) наночастинки. Ефект фракталь- ності (неоднорідності) поверхні призводить до істотної зміни активності наноутворень на неоднорідній поверхні каталізатора. Вельми суттєвими є ефекти структури поверхні та форми нанокристала. Слід зазначити, що нанорозмірний ефект може виявлятися по- різному, залежно від функції розподілу нано- частинок за розмірами. Ефект носія для певних каталізаторів, імо- вірно, є визначальним. На прикладі багатьох каталітичних систем доведено, що зміна носія істотно впливає на каталітичні властивості на- номатеріалу. На жаль, у більшості випадків та- кий ефект лише констатується, а свого остаточ- ного пояснення він ще не має. Слід розрізняти ефект носія, зумовлений взаємодією нано- частинка — носій, і ефект носія, спричинений особливостями формування наноструктур на його поверхні в процесі синтезу каталізатора. Ефект залежності енергії адсорбції/акти- Рис. 2. Нанорозмірний ефект для наночастинок золота і оксиду цинку в модельній ре- акції окиснення монооксиду вуглецю киснем ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 19 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ вації від розміру наночастинок, який у свою чергу залежить від носія, є сьогодні одним із найприйнятніших пояснень появи каталітич- ної активності нанорозмірного золота, однак слід зазначити, що такий ефект потребує свого теоретичного обґрунтування. Вплив реакцій- ного середовища на властивості наночасти- нок є одним із найменш досліджених нанороз- мірних ефектів у нанокаталізі, що зумовлено значною складністю експериментального до- слідження перебігу гетерогенно-каталітичного процесу in situ на нанорозмірному масштабі. Зниження швидкості реакцій окиснення зі зменшенням розміру наночастинок на поверх- ні носія може бути спричинене збільшенням енергії адсорбції компонентів реакційного се- редовища, як реагентів, так і продуктів реакції. Наслідком нанорозмірного ефекту може бути запобігання побічним або небажаним реакці- ям. Прикладом прояву такого ефекту є те, що навуглецювання каталізатора парової конвер- сії метану спостерігається для наночастинок активного компонента каталізатора (нікелю) розміром понад 7 нм. Хімічний склад поверхні є визначальним у нанокаталізі. Незначні зміни хімічного складу поверхні можуть призводити до кар- динальних змін каталітичної активності на- нокаталізаторів. Ефект хімічного складу поверхні може залежати як від умов приго- тування каталізатора, так і від складу реак- ційного середовища. Ефект хімічного складу поверхні зумовлений впливом адсорбованих атомів або молекул, які не є складовими сте- хіометрії хімічної реакції, на швидкість пере- бігу гетерогенно-каталітичного процесу. Така адсорбція може спричинювати як активацію, так і дезактивацію каталізатора. Окремо слід виділити ефект домішок до наночастинок, який аналогічний ефекту хімічного складу поверхні. Виявлено, що наявність незначної кількості атомів срібла в наночастинці золота суттєво впливає на її каталітичні властивості. Скоріш за все, ефекти хімічного складу по- верхні та ефекти домішок самі по собі не ви- значають появу каталітичної активності на- ночастинок, проте вони вказують на можливі причини невідтворюваності експерименталь- них результатів. Ефект заряду наночастинки, до якого слід віднести також ефект диференційної підзаряд- ки за рахунок взаємодії наночастинка — носій, може якісно змінити каталітичні властивості нанокаталізатора. Доведено, що залежно від заряду нанокластера золота енергія адсорбції монооксиду вуглецю, яка зумовлює його ка- талітичну активність, може як зменшуватися, так і збільшуватися зі зміною кількості атомів золота в такому нанокластері. Аналіз властивостей наночастинок металів та їх оксидів доводить, що наночастинкам роз- міром менш як 10 нм притаманна сильна роз- мірна залежність температури плавлення та те- плоємності. Можна припустити, що плавлення Нанорозмірні ефекти, що спостерігаються в гетерогенно-каталітичних процесах Геометричні ефекти Ефект загальної поверхні Ефект збільшення кількості поверхне- вих атомів Ефект збільшення кількості дефектів Ефект зміни кількості низькокоорди- нованих атомів Каталіз на межі (по периметру) нано- частинки Ефект фрактальності (неоднорідності) поверхні Ефект функції розподілу наночасти- нок за розмірами Ефект структури поверхні Ефект форми нанокристала Електронні ефекти Квантово-розмірний ефект Залежність енергії адсорбції/активації від розміру Ефект реакційного середовища Взаємодія наночастинка — носій Хімічний склад поверхні Ефект домішок Ефект заряду наночастинки Інші ефекти Поява хімічно індукованого струму Фазовий перехід наночастинка — рідина Особливості хімічного механізму/ кінетики 20 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ наночастинок або різка зміна їх теплоємності призводить до збільшення їх каталітичної ак- тивності саме в діапазоні 1—10 нм, що зумов- лює ефект фазового переходу наночастин- ка — рідина. На жаль, такому аспекту в на- нокаталізі поки що практично не приділяють уваги. Перехід каталізатора в нанорозмірний стан може спричинити зміни не лише швидкості перебігу гетерогенно-каталітичного процесу, а й механізму перебігу хімічних реакцій. Це ілю- струє ефект особливостей хімічного меха- нізму/кінетики, який було продемонстрова- но на прикладі реакції окиснення монооксиду вуглецю киснем на нанорозмірному золоті. На- норозмірні ефекти в каталізі можуть спричи- нювати нові ефекти, цікавим прикладом яких є поява хімічно індукованого струму, що було виявлено в процесі каталізу наночастинками платини, нанесеними на діоксид титану. Розглянуті нанорозмірні ефекти в нанока- талізі наведено в таблиці. Кожен з цих ефектів або їх комбінації дають підґрунтя для пояснен- ня немонотонної залежності каталітичної ак- тивності наноматеріалів від їх розміру. Однак усі ці ефекти фактично знайдено експеримен- тально, але досі ще не пояснено. Нанореактори Нанореактори — це хімічні реактори, геоме- тричні параметри яких знаходяться у наноді- апазоні. Сьогодні нанореактори створюють на основі нанопористих матеріалів із застосуван- ням сучасних нанотехнологій. Ідея викорис- тання нанореакторів ґрунтується на тому, що реагенти надходять у простір нанореактора, де реагують на активних центрах, проте залиши- ти нанореактор можуть лише цільові продук- ти. Наприклад, отримання рідких вуглеводнів (синтетичної нафти) із синтез-газу найефек- тивніше відбувається в нанореакторах розмі- ром 12 нм. Перебіг гетерогенно-каталітично го процесу з використанням нанореакторів пев- ною мірою зумовлений процесами масообміну, які сьогодні, на жаль, на нанорівні вивчено не- достатньо. З метою дослідження явищ масопереносу на нано- та макрорівні вперше запропонова- но використання методу п’єзокварцового мі- крозважування для вивчення масообмінних властивостей нанокаталізаторів, а також вста- новлено зв’язок між швидкістю масообміну вихідних реагентів та активністю каталізато- рів у процесах етерифікації. Це заклало основу для розроблення нового каталізатора синтезу етил-трет-бутилового ефіру, який за своїми характеристиками перевершує промисловий. Такі дослідження довели, що ефективні коефі- цієнти дифузії на нано- та макрорівні можуть відрізнятися більш ніж на десять порядків, що свідчить про необхідність глибокого теоретич- ного аналізу явищ масопереносу на наноме- тровому масштабі. Обмеження реакційного простору в нано- реакторах до нанометрового діапазону ство- рює унікальні можливості для реалізації но- вих каталітичних процесів, які дозволяють отримувати цільові продукти в одну стадію замість кількох, що було продемонстровано на прикладі синтезу оцтової кислоти. Сучас- ну технологію виробництва оцтової кисло- ти засновано на тристадійному процесі. На кожній стадії процес відбувається в окре- мому реакторі: 1) парова конверсія метану з отриманням синтез-газу; 2) синтез метанолу із синтез-газу; 3) карбонілування метанолу. Використання нанореактора розміром 7 нм дає змогу отримувати оцтову кислоту в одну стадію з простих речовин — СО, СН4 та О2. Зменшення розміру нанореактора призво- дить до переважного утворення сажі внаслі- док прискорення процесів вуглецеутворен- ня, а збільшення розмірів нанореактора — до повного окиснення вихідних вуглецевмісних реагентів до СО2. Використання нанореакторів є дуже перс- пек тивним як для створення нових гетеро ген- но-каталітичних процесів, так і для підвищен- ня ефективності традиційних каталітичних технологій. Однак слід зазначити, що за винят- ком окремих суто фундаментальних результа- тів значного прогресу в такому перспективно- му напрямі нанокаталізу ще не досягнуто. ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 21 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Аспекти практичного використання нанорозмірного ефекту Контролювання нанорозмірних характерис- тик каталізаторів відкриває унікальні мож- ливості для створення принципово нових каталітичних систем завдяки використанню нанорозмірних ефектів, що в майбутньому матиме велике практичне застосування. Сьо- годні відомо лише кілька вдалих прикладів за- стосування таких нових нанорозмірних каталі- тичних систем у хімічній індустрії. Серед усіх промислових каталізаторів найважливішими є платиновмісні системи. Зменшення кіль- кості платини в каталізаторі за умови незмін- ності каталітичних властивостей матеріалу є вельми перспективним застосуванням нано- розмірного ефекту. Збільшення селективності нанофазних оксидних каталізаторів до майже 100 % вже продемонстровано для промислово- го гетерогенно-каталітичного процесу дегідру- вання циклогексанолу до циклогексанону, що є однією зі стадій отримання капролактаму. Удосконалення та здешевлення наявних каталізаторів є важливим, однак не головним завданням практичного застосування нано- каталізу. Великі надії покладають на відкрит- тя нових гетерогенно-каталітичних процесів, зокрема для вирішення енергетичних про- блем. Це стає особливо актуальним у зв’язку зі стрімким скороченням запасів невідновлю- ваних енергоресурсів (газу, нафти, вугілля), а також з огляду на різке підвищення вимог до екології навколишнього середовища. Отже, сьогодні надзвичайно важливою є проблема переходу на нові екологічно прийнятні та від- новлювані джерела енергії. Серед них одним із найперспективніших енергоносіїв є водень — високоенергетичне та практично екологічно стерильне паливо. Традиційні промислові процеси одержання водню є матеріало- та енергомісткими і, як на- слідок, досить затратними. Сучасних обсягів виробництва водню недостатньо, щоб забез- печити перехід на водневе паливо. Необхідні суттєве поліпшення наявних та розроблення нових, більш досконалих методів отримання водню, серед яких провідна роль належить гетерогенно-каталітичним технологіям, таким як паровий риформінг біоетанолу. Така вихідна сировина для одержання водню має серед ін- ших одну, найбільшу перевагу — її одержують із біомаси, зокрема із сільськогосподарських відходів, продуктів лісопереробки тощо, тобто вона є відновлюваною сировиною, на відміну від вуглеводневої сировини чи метанолу. Реа- лізація процесу парового риформінгу дає змо- гу виключити з технологічного циклу стадію дистиляції вихідних реагентів. Крім того, про- цес не призводить до підвищення вмісту СО2 в атмосфері, оскільки СО2, який продукується в процесі риформінгу, в свою чергу утилізується в процесі росту біомаси. На відміну від метану — основної сирови- ни для промислового одержання водню вико- ристання більш реакційноздатних оксигенатів знижує енерговитратність процесу. Саме засто- сування нанокаталізаторів дозволило сьогодні реалізувати процес парового риформінгу біо- етанолу для отримання водню за 100 %-ї ефек- тивності. Важливим для водневої енергетики є одержання водню високої чистоти з метою його використання в низькотемпературних па- ливних елементах, які отруюються незначни- Рис. 3. Отримання та очищення водню для низькотем- пературних паливних елементів. Крива 1 ілюструє за- лежність вибіркової селективності окиснення СО для нанокаталізатора, а крива 2 — для типового масивно- го каталізатора 22 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ ми домішками монооксиду вуглецю. Очищен- ня водню від СО до 10 ppm проводять окис- ненням СО киснем таким чином, що водень не реагує з киснем. Конструювання найбільш ефективного каталізатора такого процесу за- сноване на використанні таких нанорозмірних ефектів, як ефект носія, реакційного середови- ща та залежності енергії адсорбції реагентів від розміру наночастинок для складного три- компонентного каталізатора, до складу якого входять оксиди міді, церію та цирконію. Такий нанокаталізатор значно перевершує за своїми показниками інші аналоги та забезпечує тон- ке очищення водню від СО вже за достатньо низьких температур. Важливі аспекти промислового викорис- тання нанорозмірного ефекту в каталізі роз- вивають в Інституті фізичної хімії ім. Л.В. Пи- саржевського НАН України під керівни- цтвом члена-кореспондента НАН України С.М. Орлик. Роботи очолюваної нею групи спрямовано на створення нанокомпозитних каталізаторів процесів знешкодження оксидів азоту та процесу глибокого окиснення мета- ну. Знання про структурну чутливість реакції глибокого окиснення метану застосовувалися під час розроблення ефективних каталізаторів цього процесу: алюмомарганцевих, модифі- кованих рідкісноземельними (La) і лужнозе- мельними (Ba, Sr) елементами; масивних і на- несених нанорозмірних феритів зі структурою шпінелі МеIIFeIII 2O4 (Me — Mn, Co, Ni), у тому числі модифікованих ПАР. Виявлено фазовий розмірний ефект у процесі високотемператур- ного оброблення алюмомарганцевих каталі- заторів (900 °С, 5 год), що полягає у зниженні температури фазових перетворень оксиду алю- мінію при зменшенні розміру його частинок, — утворення метастабільної θ-фази в більш дис- персному носії γ-Al2O3 (L = 4 нм). Встановлено вплив розмірного фактора на швидкість реак- ції глибокого окиснення метану за відносно низьких температур (до 450 °С), що полягає у збільшенні питомої каталітичної активності феритів кобальту й нікелю при зменшенні роз- міру їх частинок. На основі цирконій- і алюмо- оксидних систем з комплексом заданих фізико- хімічних характеристик (структурні, розмірні, редокс- та кислотні) розроблено каталізатори на основі керамічних блокових матриць стіль- никової структури із синтетичного кордієриту та каоліно-аеросилогелю, які за активністю не поступаються зарубіжним аналогам і можуть бути застосовані в системах каталітичного очи- щення газів від домішок вуглеводнів (метану та гомологів С2—С4), а також для спалювання вуглеводневого палива у промислових та по- бутових каталітичних теплогенераторах. Деякі завдання нанокаталізу Аналіз сучасного етапу розвитку наноката- лізу доводить, що сьогодні багато проблем залишаються невирішеними. Дослідження останніх років фактично продемонстрували прояви нанорозмірного ефекту в каталізі та висвітлили можливі причини появи таких ефектів. Головний прогрес у розумінні нано- каталітичних ефектів ґрунтується на резуль- татах дослідження впливу суто геометричного фактора на каталітичну активність наномате- ріалів для наночастинок металів та їх оксидів. Однак нанорозмірні ефекти, пов’язані з впли- вом електронного фактора, ще далекі від їх остаточного розуміння. Саме тому основною фундаментальною проблемою сучасного на- нокаталізу є розроблення теоретичних уяв- лень, які зможуть пояснити появу каталітич- ної активності наночастинок. У свою чергу, спроби вирішення такого завдання вже сьо- годні виявили необхідність пошуку теоретич- них пояснень таких нанорозмірних ефектів, як ефект носія, ефект заряду наночастинки, взаємодія між наночастинками, ефект доміш- кових атомів, які впливають на енергетичний стан активного центру нанокаталізатора. Крім електронних та геометричних уявлень сто- совно впливу розміру нанофазних каталіза- торів на їх каталітичні властивості всебічного дослідження потребують такі явища, як ано- мальний масоперенос, мобільність адсорбату на поверхні наночастинки, неізотермічність, а також вплив суто фізичних явищ, індуко- ваних перебігом хімічної реакції (динамічні ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 23 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ ефекти, взаємодія з електромагнітними хви- лями тощо). Разом із необхідністю подальшого розвитку теоретичних основ найактуальнішим завдан- ням нанокаталізу є пошук нових гетерогенно- каталітичних реакцій. Такі реакції дадуть змогу провести складний багатостадійний процес в одну стадію або відкрити шлях для отримання корисних речовин за більш м’яких умов (тиск, температура). Прикладом таких процесів є пряме отримання пероксиду водню з водню та кисню, а також одностадійний про- цес отримання етанолу з монооксиду вуглецю та водню. Не можна виключати також мож- ливість заміни в деяких процесах органічних розчинників на воду, що істотно підвищить як економічні, так і екологічні показники таких процесів. Вирішення подібних завдань може ґрунтуватися лише на поглибленому розумінні впливу нанорозмірного фактора на активність і селективність нанокаталізаторів. Розумін- ня нанорозмірних ефектів у нанокаталізі до- зволить розробити стратегії створення нових каталітичних систем, зокрема контролю се- лективності та стереоселективності, констру- ювання нанореакторів, стабільності та регене- рації нанокаталізаторів, створення кислотно- основних нанокаталізаторів та поліфункціо- нальних нанокаталізаторів, багатотоннажних процесів отримання новітніх наноматеріалів, у тому числі вуглецевих, тощо. Безумовною є також необхідність пошуку нових ефектів у нанокаталізі. Перспективни- ми в цьому плані є дослідження каталітичних властивостей нових наноматеріалів, зокрема нанокомпозитів на основі вуглецевих нанома- теріалів, двовимірних матеріалів, наприклад графену та сульфіду молібдену, а також ком- позитів на їх основі. Нерозкритими ще є ка- талітичні властивості металоорганічних сіток, наноквазікристалів та нанореакторів. Висновки Нанокаталіз відкриває необмежені можливості для створення нових гетерогенно-каталітичних процесів та високоефективних каталізаторів нового покоління. Дослідження, спрямовані на синтез нових наноматеріалів, удосконален- ня сучасних методів їх дослідження, матема- тичного моделювання та квантово-хімічного аналізу, дозволять створити каталітичні сис- теми, в яких структурні та розмірні характе- ристики можна регулювати на нанорівні. Такі дослідження забезпечать перехід від напівем- піричних методів створення каталізаторів до їх цілеспрямованого конструювання, яке дасть змогу отримувати просторово організовані на- ноструктури, що мають контрольовані функ- ціо нальні властивості, такі як висока продук- тивність, селективність, термін експлуатації. Враховуючи постійне посилення вимог екологічної безпеки, саме такі високотехно- логічні матеріали дадуть можливість розро- бити принципово нові конкурентоспроможні гетерогенно-каталітичні процеси: отримання хімічних речовин прямим переробленням від- новлюваної сировини та відходів; нові процеси малотоннажної хімії та тонкого органічного синтезу; одержання нових видів моторного па- лива. Реалізацію таких процесів у промисло- вості неможливо здійснити без проведення ці- леспрямованих фундаментальних досліджень у галузі нанокаталізу. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Stroyuk O.L., Kuchmiy S.Ya., Kryukov A.I., Pokhodenko V.D. Semiconductor catalysis and photocatalysis on the nano- scale. — New York: Nova Science Publishers, Inc., 2010. — 183 р. 2. Крюков А.И., Строюк А.Л., Кучмий С.Я., Походенко В.Д. Нанофотокатализ. — К.: Академперіодика, 2013. — 618 с. 3. Стрижак П.Е. Наноразмерные эффекты в гетерогенном катализе // Теоретическая и экспериментальная химия. — 2013. — Т. 49, № 1. — С. 1—19. 24 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ П.Е. Стрижак Институт физической химии им. Л.В. Писаржевского НАН Украины пр. Науки, 31, Киев, 03028, Украина СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАНОКАТАЛИЗА Рассмотрены основные проблемы нанокатализа — области физической химии, которая стремительно развивает- ся в последние десятилетия. Проанализированы проявления наноразмерного эффекта в катализе. Освещены основные подходы создания новых гетерогенно-каталитических процессов и катализаторов на основе современных наноматериалов, в частности наночастиц переходных и благородных металлов, различных оксидных наносистем, нанопористых материалов, двумерных наносистем. Сформулированы направления дальнейших исследований. Ключевые слова: катализ, нанокатализ, катализатор, наноматериалы. P.E. Strizhak Pisarzhevsky Institute of Physical Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine 31 Nauky Ave., Kyiv, 03028, Ukraine CURRENT PROBLEMS OF NANOCATALYSIS We consider the main problems of nanocatalysis, which is a branch of physical chemistry that is rapidly developing during last decades. The main consequences of nanosize effect for catalysis are discussed. We also highlight the main approaches for developing new heterogeneous catalytic chemical processes and catalysts based on modern nanomaterials, particularly, metal nanoparticles, various oxide nanosystems, nanoporous materials, and two-dimensional nanosystems. The main directions of further studies are discussed. Keywords: catalysis, nanocatalysis, catalyst, nanomaterials.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69818
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0372-6436
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-07T18:27:02Z
publishDate	2014
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format	dspace
spelling	Стрижак, П.Є. 2014-10-22T20:15:10Z 2014-10-22T20:15:10Z 2014 Сучасні проблеми нанокаталізу (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 21 травня 2014 р.) / П.Є. Стрижак // Вісн. НАН України. — 2014. — № 7. — С. 16-24. — Бібліогр.: 3 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69818 Розглянуто основні проблеми нанокаталізу — галузі фізичної хімії, яка бурхливо розвивається в останні десятиліття. Проаналізовано прояви нанорозмірного ефекту в каталізі. Висвітлено основні підходи щодо розроблення нових гетерогенно-каталітичних процесів та каталізаторів на основі сучасних наноматеріалів, зокрема наночастинок перехідних і благородних металів, різноманітних оксидних наносистем, нанопористих матеріалів, двовимірних наносистем. Сформульовано напрями подальших досліджень. Рассмотрены основные проблемы нанокатализа — области физической химии, которая стремительно развивается в последние десятилетия. Проанализированы проявления наноразмерного эффекта в катализе. Освещены основные подходы создания новых гетерогенно-каталитических процессов и катализаторов на основе современных наноматериалов, в частности наночастиц переходных и благородных металлов, различных оксидных наносистем, нанопористых материалов, двумерных наносистем. Сформулированы направления дальнейших исследований. We consider the main problems of nanocatalysis, which is a branch of physical chemistry that is rapidly developing during last decades. The main consequences of nanosize effect for catalysis are discussed. We also highlight the main approaches for developing new heterogeneous catalytic chemical processes and catalysts based on modern nanomaterials, particularly, metal nanoparticles, various oxide nanosystems, nanoporous materials, and two-dimensional nanosystems. The main directions of further studies are discussed. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України З кафедри Президії НАН України Сучасні проблеми нанокаталізу (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 21 травня 2014 р.) Современные проблемы нанокатализа Current problems of nanocatalysis Article published earlier
spellingShingle	Сучасні проблеми нанокаталізу (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 21 травня 2014 р.) Стрижак, П.Є. З кафедри Президії НАН України
title	Сучасні проблеми нанокаталізу (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 21 травня 2014 р.)
title_alt	Современные проблемы нанокатализа Current problems of nanocatalysis
title_full	Сучасні проблеми нанокаталізу (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 21 травня 2014 р.)
title_fullStr	Сучасні проблеми нанокаталізу (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 21 травня 2014 р.)
title_full_unstemmed	Сучасні проблеми нанокаталізу (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 21 травня 2014 р.)
title_short	Сучасні проблеми нанокаталізу (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 21 травня 2014 р.)
title_sort	сучасні проблеми нанокаталізу (за матеріалами наукової доповіді на засіданні президії нан україни 21 травня 2014 р.)
topic	З кафедри Президії НАН України
topic_facet	З кафедри Президії НАН України
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69818
work_keys_str_mv	AT strižakpê sučasníprobleminanokatalízuzamateríalaminaukovoídopovídínazasídanníprezidíínanukraíni21travnâ2014r AT strižakpê sovremennyeproblemynanokataliza AT strižakpê currentproblemsofnanocatalysis

Сучасні проблеми нанокаталізу (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 21 травня 2014 р.)

Institution

Similar Items