С момента открытия фуллеренов прошло относительно мало времени, около 25 лет, но за это время появилось более 20 тысяч публикаций и исследований, посвященных различным аспектам синтеза и изучению свойств этого уникального класса углеродных соединений. Уже ни для кого не секрет, что поскольку фуллерены эффективно отдают и принимают электроны, они выступают отличными катализаторами.
Нанотрубки, из которых состоит фуллерен, действуют как катализаторы, когда через них пропускают электрический ток. Это позволяет им отдавать электроны молекулам, которые контактируют с участками реакции.
Другая реакция, которую углеродные нанотрубки могут катализировать, превращает химическое вещество, называемое резазурин, в другое, резоруфин, которое является флуоресцентным.
Катализаторы на углеродных нанотрубках — это новый вид катализаторов на носителях, которые используют углеродные нанотрубки. Именно уникальные физико-химические свойства углеродных нанотрубок (большой объем удельной поверхности, повышенная электрическая проводимость, отличная химическая инертность, высокий уровень устойчивости к окислению) обещают им популярность как материала-носителя, который будет применятся в гетерогенном катализе.
Катализаторы — это вещества, использующиеся, как правило, в малых дозах относительно реагентов, которые в свою очередь могу увеличивать скорости химических реакций, при этом не подвергаясь химическим изменениям.
Определенное количество катализаторов разных видов загружают на нужный материал, выступающий носителем, который всегда больше по объему. Существует много видов носителей, от обычных и наиболее популярного оксида алюминия до разных видов активированного угля.
Нанокатализатор
Способность удерживать атомы или небольшие молекулы внутри углеродной клетки — одно из наиболее важных и уникальных свойств фуллеренов. Углеродные клетки были синтезированы благодаря присущей им стабильности, их наноструктурам. Важность пространственных и электронных параметров, связанных со структурой каркаса, таких как у фуллерена, — это интерференция наноструктур и стабильность этих соединений.
Среди фуллеренов наиболее распространены структуры C60 и C70. Оптические свойства, энергии ионизации и поиска электронов, а также относительная стабильность этих видов фуллеренов влияют на усиление наноэлектронных устройств.
Эти удивительные свойства позволяют наноэлементам выполнять функции резервуаров электронов, которые легко соединяются с органическими растворителями, что важно для ускорения химических реакций.
Производные углерода являются сильнейшим элементом, образующим множество соединений. Касаемо его первичной химической формы, известно, что углеродные носители — это высокоактивный катализатор в реакциях окислений.
Производные наноуглерода также применимы как материал носителя, в котором можно диспергировать другие каталитические элементы. Результатом применения фуллерена, как катализатора, является увеличение поверхности, подвергаемой к воздействию химических реагентов.
Сферы применения удивительных свойств фуллеренов
Катализаторы из фуллереновых нанотрубок интересны для гидрогенолиза химических связей. Другая реакция, на которую способен наноэлемент, — гидрирование галогенированных ароматических аминов — нужна, чтобы синтезировать гербициды и пестициды, а также дизельное топливо.
Основные сферы использования свойств фуллерена при катализации — поддержка металла. Кроме этого, наноэлементы используются для поддержания таких соединений, как сульфиды и галогениды.
Самой важной отличительной чертой соединений фуллерена есть его способность создавать интеркалаты, являющиеся катализаторами определенных реакций гидрирования, дегидрирования, изомеризации и алкилирования.
Процесс восстановления металлоорганических комплексов золота, кобальта, никеля, палладия или платины при помощи фуллерена в результате выдает наночастицы металла, катализирующие реакции гидросилилирования. В органических окислительно-восстановительных реакциях свойства нанотрубок фуллерена используют, например, для промышленного производства полимера нейлона.
Во многих исследованиях катализаторов на основе нанотрубок фуллерена было изучено связь их свойств и увеличением эффективности каталитического покрытия в элементах топлива. Углерод в нынешнее время стал самым распространенным катализатором для этого.
Преимущества фуллереновых нанотрубок в качестве носителей для катализаторов
Доступно множество носителей для катализаторов, от носителей из оксидов металлов, таких как оксид алюминия, кремнезем и цеолиты, до традиционных углеродистых носителей, таких как активированный уголь, углеродная сажа, графиты и новые углеродные наноматериалы.
Привычные оксидные носители часто механически и термически нестабильны. В условиях окисления могут образовываться так называемые «горячие точки», что приводит к изменению как металла носителя, так и катализатора.
Множество продуктов фуллеренов различаются по определенным ключевым свойствам, таким как пористость, размер пор и гранулометрический состав, площадь поверхности, устойчивость к истиранию и содержание золы, в зависимости от процесса производства. Поэтому фуллереновые нанотрубки, которые используют в жидкофазных процессах, — популярное вспомогательное средство для реакций гидрирования.
Это связано с легкостью отделения от реакционной смеси, стойкостью к агрессивным средам, таким как высокий pH, и относительной легкостью извлечения металла после использования.
В последние 10-15 лет основные усилия химиков направлены на разработку эффективных синтетических методов функционализации фуллерена нуклеофильными и электрофильными реагентами, в частности с использованием достижений металлокомплексного катализа. И кто знает, может в процессе дальнейшего изучения и исследований наносоединения, мы узнаем о новых свойствах и возможностях уникального элемента.
