Введение

Наноматериальные катализаторы обычно являются гетерогенными катализаторами, состоящими из металлических наночастиц для повышения эффективности каталитического процесса. Металлические наночастицы обладают высокой удельной поверхностью, что способствует увеличению каталитической активности. Наночастичные катализаторы легко отделяются и могут быть повторно использованы. Как правило, они применяются в мягких условиях, чтобы предотвратить разрушение наночастиц.

Функционализированные наночастицы

Функционализированные металлические наночастицы более устойчивы к растворителям, чем нефункционализированные металлические наночастицы. В жидкостях на наночастицы металла может воздействовать сила Ван-дер-Ваальса. Агрегация частиц иногда может снижать каталитическую активность из-за уменьшения площади поверхности. Сплавы двух металлов, называемые биметаллическими наночастицами, используются для создания синергетического эффекта в катализе между двумя металлами. Ю и соавторы обнаружили, что рутениевые нанокатализаторы более селективны в гидрогенизации цитронеллаля по сравнению с традиционными катализаторами. Наночастицы палладия и наночастицы золота, функционализированные BINAP, использовались для гидросилилирования стирола в мягких условиях; было установлено, что они более каталитически активны и стабильны, чем комплексы Pd BINAP, не содержащие наночастиц. Реакцию также может катализировать наночастица, состоящая из двух металлов.

Органические окислительно-восстановительные реакции

Окислительная реакция с образованием адипиновой кислоты показана на рисунке 3 и может катализироваться наночастицами кобальта. Соединение Pd2(dba)3 является источником Pd(0), который представляет собой каталитически активную форму палладия, используемую во многих реакциях, включая реакции кросс-сочетания. Значительная часть исследований, основанных на наноматериалах, посвящена максимизации эффективности каталитического покрытия в топливных элементах. В настоящее время платина является наиболее распространенным катализатором для этой цели, однако она дорогая и редкая, поэтому большое количество исследований направлено на максимизацию каталитических свойств других металлов путем уменьшения их размеров до наночастиц в надежде, что в будущем они станут эффективной и экономичной альтернативой платине. Наночастицы золота также проявляют каталитические свойства, несмотря на то, что массивное золото химически инертно. Было установлено, что наночастицы циркония, стабилизированные иттрием, повышают эффективность и надежность твердооксидных топливных элементов. Наноматериалы, представляющие собой катализаторы рутений/платина, потенциально могут быть использованы для катализа очистки водорода для целей его хранения. Наночастицы палладия могут быть функционализированы с помощью органометаллических лигандов для катализа окисления CO и NO с целью контроля загрязнения воздуха. Многие наноматериалы используются для имитации различных природных ферментов, таких как оксидазы, пероксидазы, каталазы, супероксиддисмутазы (SOD), нуклеазы и других. Наноферменты нашли широкое применение в различных областях, от биосенсорики и биовизуализации до терапии и очистки воды.

Наноструктуры для электрокатализа

Нанокатализаторы представляют большой интерес для топливных элементов и электролизеров, поскольку катализатор существенно влияет на эффективность.

Нанопористые поверхности

В топливных элементах нанопористые материалы широко используются для изготовления катодов. Пористые наночастицы платины демонстрируют высокую активность в нанокатализе, но обладают меньшей стабильностью и имеют короткий срок службы.

Наночастицы

Одним из недостатков использования наночастиц является их склонность к агломерации. Эту проблему можно решить, используя подходящий носитель для катализатора. Наночастицы представляют собой оптимальные структуры для использования в качестве наносенсоров, поскольку их можно настроить для обнаружения определенных молекул. Например, наночастицы палладия, полученные электроосаждением на многостенные углеродные нанотрубки, продемонстрировали высокую активность в катализе реакций кросс-сочетания.

Нанопроводы

Нанопроволоки представляют большой интерес для электрокатализа, поскольку их проще в производстве, а контроль над их характеристиками в процессе производства достаточно точен. Кроме того, нанопроволоки могут повысить фарадеевскую эффективность благодаря своей протяженности в пространстве и, как следствие, большей доступности реагентов на активной поверхности.

Материалы

Наноструктуры, участвующие в процессах электрокатализа, могут быть изготовлены из различных материалов. Использование наноструктурированных материалов позволяет электрокатализаторам достигать хорошей физико-химической стабильности, высокой активности, хорошей электропроводности и низкой стоимости. Металлические наноматериалы обычно состоят из переходных металлов (преимущественно железа, кобальта, никеля, палладия, платины). Многометаллические наноматериалы демонстрируют новые свойства благодаря характеристикам каждого металла. Преимуществами являются повышение активности, селективности и стабильности, а также снижение стоимости. Металлы могут комбинироваться различными способами, например, в биметаллической структуре "ядро-оболочка", где наиболее дешевый металл формирует ядро, а наиболее активный (обычно благородный металл) – оболочку. Применение такой конструкции позволяет снизить использование редких и дорогих металлов до 20%. Одной из будущих задач является поиск новых стабильных материалов с хорошей активностью и, особенно, низкой стоимостью. Металлические стекла, полимерный нитрид углерода (PCN) и материалы, полученные на основе металлоорганических каркасов (MOF), – это лишь несколько примеров материалов с электрокаталитическими свойствами, которые в настоящее время являются объектом активных исследований.

Фотокатализ

Многие фотокаталитические системы могут выиграть от сочетания с благородным металлом; первая ячейка Фудзисимы-Хонды также использовала пластину сокатализатора. Например, основополагающая конструкция дисперсного фотокаталитического реактора для расщепления воды заключается в водном золе, в котором дисперсная фаза состоит из полупроводниковых квантовых точек, каждая из которых связана с металлическим сокатализатором: квантовая точка преобразует входящее электромагнитное излучение в экситон, а сокатализатор выступает в роли акцептора электронов и снижает перенапряжение электрохимической реакции.

Характеристика наночастиц

Некоторые методы, которые можно использовать для характеристики функционализированных наноматериальных катализаторов, включают рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, просвечивающую электронную микроскопию, спектроскопию кругового дихроизма, спектроскопию ядерного магнитного резонанса, УФ-видимую спектроскопию и связанные с ними исследования.