Впервые синтезирован редкий минерал георгит: редкий минерал — превосходный катализатор, говорят исследователи

Используя метод, называемый сверхкритическим осаждением антирастворителем (SAS), группа произвела большое количество очень чистого георгита, неупорядоченного гидроксикарбоната меди, который в природе встречается только в Австралии и на старом медном руднике в Сноудонии, Уэльс.Группа проверила каталитическую активность георгита по отношению к коммерческим катализаторам, которые на протяжении полувека использовались в реакции конверсии водяного газа, в которой вода реагирует с диоксидом углерода с образованием водорода.«Мы обнаружили, что георгит был превосходным катализатором реакции конверсии водяного газа и имел гораздо более высокие характеристики по сравнению с коммерческим катализатором, который в настоящее время используется в промышленности», — сказал Грэм Хатчингс, директор Кардиффского института катализа при Кардиффском университете в Уэльсе. .Водород является важным ингредиентом при производстве метанола и аммиака, которые составляют основу сотен химических веществ, включая топливо, пластмассы, краски, растворители и удобрения.

Группа также обнаружила, что синтезированный ими георгитовый материал был очень эффективным при проведении синтеза метанола, в котором CO2 и водород объединяются для получения метанола.«Катализаторы на основе минералов оксида меди и цинка использовались в течение многих десятилетий для катализа обеих этих реакций», — сказал Кристофер Дж. Кили, профессор материаловедения и химической инженерии в Университете Лихай в Вифлееме, штат Пенсильвания. «Наши материалы на основе георгита. представляют собой первый раз, когда появилось что-то потенциально лучшее ".

Группа сообщила о своих выводах в журнале Nature в статье под названием «Стабильный аморфный георгит как предшественник высокоактивного катализатора». Автором статьи являются исследователи из Кардиффа, Лихай, UK Catalysis Hub, Университетского колледжа Лондона, Diamond Light Source в Соединенном Королевстве, Ливерпульского университета, Технического университета Дании и Johnson Matthey, многонациональной компании, занимающейся химическими веществами и устойчивыми технологиями. со штаб-квартирой в Ройстоне, Великобритания.Легко синтезируемый прекурсор

Георгеит принадлежит к семейству минералов, называемых гидроксикарбонатами меди, которые широко используются в качестве предшественников катализаторов в химической промышленности. Ученые знакомы с другими гидроксикарбонатами, такими как малахит, аурихальцит и розазит, но мало знают о георгите из-за его чрезвычайной редкости, низкой чистоты, нестабильности и сильно разупорядоченной природы.

Химики из Кардиффского института катализа синтезировали георгит с помощью SAS, в котором CO2 подвергается воздействию тепла и давления, которые переводят его в сверхкритическое состояние, в котором он проявляет характеристики как жидкости, так и газа.«Сверхкритический CO2 расширяется, как газ, чтобы заполнить объем, сохраняя при этом вязкость жидкости», — сказал Кили. «Это необычное состояние вещества, и при его пропускании через раствор твердые частицы могут выпадать в осадок очень быстро.

Сверхкритический CO2 также используется в таких процессах, как кофе без кофеина».Химики из Кардиффского института катализа синтезировали георгит, растворяя предшественник оксида меди и цинка в органическом растворителе, а затем пропуская сверхкритический CO2 через растворитель для быстрого осаждения георгита.«[Мы показали], что стабильный георгеит можно легко синтезировать с использованием сверхкритического диоксида углерода в качестве антирастворителя в процессе осаждения», — написали исследователи в Nature. «Синтетические георгеитовые материалы являются предшественниками высокоактивного синтеза метанола и превосходных катализаторов конверсии водяного газа по сравнению с теми, которые в настоящее время получают из кристаллического малахита.

«Этот новый путь к георгиту откроет новые возможности для использования этого важного материала в ряде приложений».Решающая роль кристаллов

Исследователи из Лихай и Технического университета Дании использовали передовые методы электронной микроскопии, чтобы структурно охарактеризовать георгит и определить, почему он дает такие высокоэффективные катализаторы.«Мы изучили георгит с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа с исправленными аберрациями», — сказал Кили. «Считалось, что георгеит полностью аморфен, то есть больше похож на стекло, чем на кристаллический минерал. Мы обнаружили, что георгеит на самом деле примерно на 90 процентов аморфен, но имеет 2-нанометровые кристаллы оксида меди, встроенные в него.«Фактический катализатор — это не чистый георгитовый материал», — сказал Кили. «Георгит, когда он намеренно легирован некоторым количеством цинка, на самом деле является предшественником активного катализатора.

Его необходимо прокалить или нагреть на воздухе, а затем восстановить в газообразном водороде, прежде чем его можно будет использовать в качестве катализатора».Чтобы узнать, что происходит во время прокаливания и восстановления, группа обратилась к коллегам из Технического университета Дании, у которого есть просвечивающий электронный микроскоп для окружающей среды (ETEM).

«ETEM — очень специализированный инструмент, — сказал Кили. "Прелесть этого заключается в том, что вы можете взять прекурсор цинкового георгита, нагреть его под микроскопом в газовой среде, а затем наблюдать, как он изменяется в процессе. Это позволило нам динамически наблюдать материал прекурсора по мере того, как он превращается в активную катализатор.«Что мы видели с помощью ETEM, так это то, что когда кальцинированный цинковый георгит восстанавливается в водороде, он образует очень крошечные частицы меди, плотно закрепленные на наноскопических зернах оксида цинка. Эта особая наноструктура отвечает за хорошие каталитические свойства.

«Мы сравнили это с обычными каталитическими материалами, полученными из кристаллического малахита, и обнаружили, что наш цинковый георгит дает гораздо более тонкую микроструктуру с более мелкими частицами оксида меди и цинка, что в конечном итоге способствует превосходным каталитическим характеристикам».По словам Кили, синтетический цинк-георгитовый катализатор имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что его состав можно легко регулировать или изменять, регулируя соотношение атомов меди к атомам цинка в исходном растворе. Также его можно производить в больших количествах.

Эти новые материалы были исследованы в Diamond Light Source коллегами из Университетского колледжа Лондона и Ливерпульского университета, где с помощью источника синхротронного излучения были определены дополнительные подробные сведения об их уникальной структуре.Ли Лу, доктор философии в Лихайе.

Кандидат и соавтор статьи в Nature, выполнил исследования структурных характеристик с использованием STEM с коррекцией аберраций, а также помог проанализировать результаты микроскопии, полученные с помощью ETEM в Дании.Исследователи работали над проектом несколько лет.

По словам Кили, синтетический цинковый георгит потребует дополнительных испытаний и масштабирования, прежде чем он сможет найти коммерческое применение в промышленности.


Портал обо всем