Нанодисперсные оксидные материалы на основе церия и циркония активно используются в химической промышленности, а также в металлургии и альтернативной энергетике благодаря своим уникальным свойствам. В частности, оксиды на основе структуры пирохлора церия и циркония (Ce2Zr2O7) хорошо запасают и отдают кислород. Но поскольку они относятся к высокотемпературным керамикам, их синтез требует очень высоких температур — порядка 1400°C. И тут возникает проблема: при нагревании исходные нанодисперсные керамические частицы начинают «слипаться», в результате чего эффективность синтезированного материала сильно снижается. Ученые Института катализа Сибирского отделения РАН (ИК СО РАН) смогли решить эту проблему с помощью углеродной «шубы».
Метод работает следующим образом: каждая наночастица перед синтезом покрывается тонким слоем углерода — это предотвращает их спекание и сохраняет дисперсность синтезированного пирохлора. О том, как проходило исследование, «Научной России» рассказал Владимир Стояновский, старший научный сотрудник отдела материаловедения и функциональных материалов ИК СО РАН.
«Пирохлор представляет собой строго упорядоченную кубическую кристаллическую структуру, где катионы церия и циркония, а также кислородные вакансии занимают фиксированные позиции, в отличие от тетрагональной фазы, где катионы распределены хаотично. Это определяет его уникальные свойства — в частности, эффективность запасания кислорода (OSC) и скорость диффузии. Но синтез должен проводиться при высокой температуре в восстановительной газовой среде: для полного фазового перехода она должна достигать 1400-1500°C. При этой температуре материал неизбежно спекается. Тогда мы решили использовать метод углеродной “шубы” — тем более, что сама углеродная “шуба” при высоких температурах способствует восстановлению церия, что в итоге дало возможность провести синтез и в инертной среде. Финансовая поддержка со стороны РНФ позволила вплотную заняться этой задачей и получить новые результаты», — отметил Владимир Стояновский.
По словам ученого, у пирохлора Ce2Zr2O7 есть свои фундаментальные ограничения при использовании в качестве катализатора в окислительной среде. Например, при нагревании выше 900°C структура трансформируется обратно в тетрагональную фазу, теряя часть необходимых свойств. Предложенный подход к синтезу таких материалов в углеродной «шубе» открывает возможности для дальнейшего поиска оптимального элементного состава многокомпонентных пирохлоров, что позволит расширить область их применения. Исследователи изучили два способа создания углеродной «шубы».
«В первом случае мы взяли готовый коммерческий оксид Ce2Zr2O7 – уже окристаллизованный материал — и создали методом CVD (химическое осаждение из газовой фазы, при котором в результате химических реакций на нагретой поверхности из газовой среды формируется пленка углерода – Примеч. Ред.) углеродную “шубу”. Выяснилось, что при таком методе могут быть ограничения, связанные со структурой агломератов частиц исходного продукта, что не позволяет полностью стабилизировать размер частиц. Во втором случае мы использовали модифицированный метод Пекини. Особенность в том, что мы не удаляли углерод, который формируется из органического вещества при синтезе, а использовали его для стабилизации размера частиц. Именно этот метод синтеза показал наибольшую дисперсность синтезированного пирохлора при температуре синтеза 1400°C», — подчеркнул Владимир Стояновский.
Эти результаты играют важную роль в разработке методов синтеза и исследованиях каталитических свойств высокотемпературных оксидных материалов: помимо цериево-циркониевой системы, метод углеродной «шубы» в дальнейшем планируется применять и с другими материалами.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
