4. Открытие новых нанокатализаторов для задач энергетики и окружающей среды: от нано до мега.

Гетерогенные катализаторы относятся к самым давно известным наноматериалам со всеобщим промышленным значением. Они играют ключевую роль в индустрии, обеспечивая сбережение энергии и защиту природы. По сегодняшним оценкам, около 20–30% валового национального продукта в индустриальных странах так или иначе зависят от катализаторов.

Несмотря на то что вопросы гетерогенного катализа интенсивно исследовались все прошлое столетие, многие технические разработки до сих пор основаны на экспериментировании методом проб и ошибок или просто на химической интуиции. Такое положение можно приписать факту, что технические катализаторы обычно являются сложными многокомпонентными структурированными материалами, а исторически было трудно установить четкую зависимость активности от структуры —хотя хорошо известно, что тонкая структура катализаторов имеет решающее значение для их эффективности. Однако с многочисленными недавними открытиями в науке и нанотехнологиях было достигнуто гораздо более детальное понимание свойств катализаторов. С улучшением методов характеризации стало возможным наблюдение наноструктуры активных компонентов на месте их действия, т.е. когда катализатор работает, что обычно происходит при высоких температурах и давлениях. Кроме того, увеличиваются возможности детального управления структурой материалов путем привлечения все более совершенных методик синтеза. Наконец, быстрый прогресс в более точных компьютерных методах, например в расчете теории зависимости функций от плотности, сделал возможным в нескольких случаях обнаружить происхождение каталитической активности. Собрав вместе все эти достижения, можно выстроить дорогу к рациональной разработке гетерогенного катализа.

Теперь возможно связать понимание процессов катализа в наномасштабах с эффективностью промышленных мегазаводов. Твердо установив такую связь, желательно сделать следующий важный шаг к открытию новых нанокатализаторов на основе чисто фундаментальных знаний. Обсуждаются первые примеры того, как характеризацию на месте, скрининг (отбор, сортировка) высокой пропускной способности и новые методологии синтеза можно использовать для разработки нанокатализаторов для задач энергетики и окружающей среды.

Каталитический реактор Гранулы катализатора Пористая структура Структура активной

поверхности

5. Наноструктурированные катализаторы для очистки выхлопных газов автомобиля.

С тех пор как в 1970-х гг. были введены законы об охране окружающей среды, устанавливающие ограничения на выбросы из мобильных источников, они становятся все более строгими, что привело к существенному улучшению качества воздуха во всем мире — фактор, благоприятно сказывающийся на здоровье населения и способствующий увеличению продолжительности жизни. Снижение загрязнений от автомобилей достигается усовершенствованием управления мотором во взаимодействии с каталитическим конвертером. Сердце каталитического конвертера — катализатор на основе металлов платиновой группы(МПГ) — наверное, один из самых сложных узлов современного автомобиля, хотя в нем даже нет подвижных частей. Активные центры этих катализаторов основаны на наночастицах МПГ, работающих в комплексном взаимодействии с остальными компонентами катализатора в условиях экстремальной температуры, вариаций состава и скорости поступления веществ. Каталитический конвертер должен быть работоспособен в течение срока службы автомобиля. Главная трудность при разработке катализаторов, таким образом, состоит в сохранении изначальной наноструктуры и предотвращении спекания.