Очищать выхлопной газ помогает автомобильный катализатор. Горячие газы, поступающие от двигателя, при температуре около 400°С взаимодействуют на поверхности катализатора, в результате чего почти все вредные газы нейтрализуются. Вот только пока катализатор не разогреется, никакой очистки выхлопов не происходит. На некоторых автомобилях предусмотрен разогрев катализатора электричеством (от аккумулятора) или за счёт увеличения оборотов двигателя в первую минуту работы. Но, представьте, сколько лишней энергии ушло бы на разогрев катализатора автобуса на гибридной тяге, использующего попеременно то двигатель внутреннего сгорания, то электродвигатель, если при каждой смене режима работы катализатор будет успевать остывать?
Чтобы решить проблему выброса неочищенных выхлопных газов, исследователи продолжают искать новые катализаторы — такие, которые начинали бы работать при более низких температурах и одновременно были бы не очень дороги.
Коллектив химиков из РХТУ им. Д. И. Менделеева, Института общей и неорганической химии РАН и НИЦ «Курчатовский институт» разработали серию материалов с повышенной каталитической активностью. Их состав соответствует химической формуле LnFe0,5Sb1,5O6, где Ln — атом лантаноида: лантана, церия, празеодима, неодима или самария. Расположение атомов этих веществ напоминает слои пчелиных сот: ионы сурьмы и железа, окружённые ионами кислорода, соединяются в плоскости, состоящие из шестичленных колец, а ионы редкоземельных элементов находятся в полостях между слоями «сот».
Эффективность этих катализаторов изменяется в зависимости от того, какой редкоземельный элемент входит в их состав. Ионы лантаноидов по химическим свойствам очень похожи. И например, ион лантана лишь на 6% больше иона самария, так что при замене лантана на самарий расстояние между слоями «сот» в структуре катализатора уменьшается всего на 3,5%. Однако это уменьшение имеет большое значение. Температура, при которой катализатор нейтрализует 90% угарного газа, увеличивается от 270°С в случае использования лантана до 430°С для катализатора с самарием.
Но даже одно и то же вещество (одного химического состава) может оказаться плохим или хорошим катализатором в зависимости от способа его получения. Поскольку реакция нейтрализации опасных газов происходит на поверхности катализатора, то эффективность его работы зависит от площади его поверхности, формы частиц, наличия загрязнений или особых мест, удобных для захвата вредной молекулы.
Химики попробовали получать катализаторы с одинаковым химическим составом двумя способами: в расплаве солей и спеканием твёрдых реагентов на воздухе. В первом случае катализатор оказался никуда негодным, во втором — эффективным. Всё дело в форме его частиц. При выращивании их из расплава получались сросшиеся шестиугольные пластинки (помните, что атомы располагаются слоями из «сот»?), при спекании — круглые частицы.
Разработчики предположили, что в данной каталитической реакции важную роль играют грани частиц, перпендикулярные слоям «сот». Поверхность этих граней крайне мала и составляет незначительную часть поверхности пластинчатых частиц, получаемых в расплаве, что негативно сказывается на каталитических свойствах вещества. Зато на круглых частицах, полученных спеканием реагентов, легко окисляются и угарный газ, и остатки топлива.
