Нанокатализаторы для топлива

Нанотехнологии позволяют экономить топливо, а так же создавать топливо, обладающее улучшенными свойствами по сравнению с уже существующими образцами.

Одним из перспективных направлений являются нанокатализаторы, над которыми уже давно работают различные ученые по всему миру.

Инженеры из Принстона[1], возглавляющие объединенную команду ученых, разработали присадку к топливу, содержащую нанокатализаторы. Эта присадка поможет реактивным самолетам будущего летать на гиперзвуковых скоростях и сделает дизельные двигатели более эффективными. Эти катализаторы состоят из наночастиц графена, размерами от 200 до 500 нм, которые позволяют топливу возгораться при более низких температурах и гореть с большей скоростью.

Современные реактивные самолеты летают на сверхзвуковых скоростях именно из-за ограниченной скорости сгорания топлива, для достижения гиперзвуковых скоростей топливо, естественно, должно сгорать и выбрасываться из сопла гораздо быстрее, чем требуемая скорость полета. Нанокатализаторы, добавленные в топливо реактивных самолетов, позволят топливу сгорать быстрее, что приведет к появлению типа реактивного двигателя, способного обеспечить гиперзвуковые скорости полетов.

Кроме авиации, графеновые присадки к топливу могут оказать благотворное влияние на экономичность и эффективность дизельных двигателей. Они значительно повышают уровень сгорания топлива и уменьшают количество CO, производимого дизельным двигателем. Для этой технологии найдется так же место и в космосе, добавление катализаторов в жидкое реактивное топливо, позволит работать более эффективно маневровым и тяговым двигателям космических аппаратов.

Этот проект финансируется ВВС США в рамках программы 2009 American Recovery and Reinvestment Act Research Program, сумма финансирования составляет три миллиона долларов.

Это не единственные работы ведущиеся по нанокатализаторам, так, например, существуют работы посвященные биметаллическим катализаторам.

Материалы[2], содержащие биметаллические наночастицы, очень привлекательны для использования в различных технологических отраслях из-за их уникальных каталитических свойств. Наиболее перспективные биметаллические сплавы палладия и золота, которые участвуют в реакциях окисления двуокиси углерода, что очень востребовано в топливных элементах и других отраслях альтернативной энергетики.

Сплав золото-палладий имеет наибольшую каталитическую активность среди биметаллов. Что интересно, он имеет также наиболее упорядоченную структуру: наночастицы золота формируют центр, окруженный палладием. Однако создать такой упорядоченный сплав достаточно трудно традиционными методами химии.

Но недавно ученым из Университета Дэлавера, университета Ешивы и Брукхэвена (Brookhaven, Yeshiva University, University of Delaware) удалось разработать метод синтеза сложных биметаллических нанокатализаторов.

«Большинство свойств катализатора и его эффективность напрямую зависит от его структуры, – говорит Вейган Хан (Weiqiang Han), исследователя из Центра Функциональных Наноматериалов в Брукхэвене (Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials), – Мы использовали много техник, но пришли к тому, что с помощью традиционных химических техник трудно создать упорядоченный биметаллический нанокатализатор».

Формирование нанокатализатора

В качестве альтернативного метода ученые воспользовались гальваническим нанесением. Основная «движущая сила» гальванического нанесения – разница потенциалов, возникающая между двумя металлами, один из которых выступает в роли анода, а другой – катода. При этом происходит перенос электронов от анода к катоду.

Для того чтобы создать сплав, ученым понадобилось поместить палладиевые нанонити диаметром всего 2,5 нанометра в раствор толуола, содержащего хлорид золота. За получившейся гальванической системой ученые наблюдали с помощью электронной микроскопии и установки расширенной рентгеновской дифракции (extended x-ray absorption fine structure – EXAFS).

«Установка EXAFS очень помогла нам в наблюдениях за формированием биметаллического нанокатализатора. Она чувствительна к изменениям структуры и геометрии частиц размером около 3 нанометров», – поясняет Анатолий Френкель (Anatoly Frenkel), один из исследователей.

В первое время формирования сплава ученые заметили, что его структура регулярна, и для ее сохранения ввели алкиламиновый композит, стабилизировавший поверхностное распределение палладия на золотом «ядре». Впоследствии исследователи установили, что дальнейшая реакция по синтезу нанокатализатора протекает хаотично, вызывая формирование неупорядоченного сплава с «перемешанными» атомами золота и палладия в одной частице. О своей работе ученые сообщили в выпуске журнала Американского Химического Общества от 23 января 2008г (Journal of the American Chemical Society).

Как считают исследователи, гальваническое формирование катализаторов – очень перспективная ветвь развития нанохимии. Более того, нанокатализаторы будут применяться в самых различных технологических отраслях – от энергетики до микроэлектроники и аэрокосмической промышленности.

Стоит сказать[3][4], что помимо применения нанокатализаторов для топлива, огромными перспективами и уже существующими образцами обладает применение нанокатализаторов для создания более мощных, и как ни странно более безопасных взрывчатых веществ.

Кроме того, те же самые нанотехнологии позволят создать материалы, которые сумеют работать с топливом с нанокатализаторами, которые будут предъявлять новые требования к двигателям. А двигатели в свою очередь расширят и дадут новые возможности агрегатам, транспортным средствам и т.д., что повлечет за собой новые требования к конструкции и материалам. Таким образом, успех в одной области применения нанотехнологий может повлечь за собой необходимость развития другой области нанотехнологий.