Смещение граничных размеров наносистем при малых изменениях структуры

Задача. Статья посвящена экспериментальной проверке возможности влияния малых изменений в структуре носителей наночастиц на их функциональные характеристики, в частности, на вычисленные размеры активных фракций нанокатализаторов низкотемпературного окисления СО. Колебательный характер реакции, наблюдаемый в некоторых случаях при окислении СО и водорода в присутствии наночастиц платиновых металлов, позволяет предполагать наличие диссипативных структур. Как известно, обладающие высокой сложностью (по Нейману) системы, в частности, автокаталитические гиперциклы, способны к самоорганизации. Еще одним признаком наличия подобных систем может быть критическое влияние на их характеристики малых изменений в строении и/или составе. Возможность такого влияния проверена экспериментально: синтезированы серии палладийсодержащих нанокатализаторов на активированных углеродных волокнах, отличающихся между собой распределением частиц по размерам. Были использованы углеродные волокна, полученные из двух разных прекурсоров. Образцы из каждой серии были подвержены восстановительной обработке водородом при дозированным соотношении. Вычислены граничные размеры активных фракций, а также активность в реакции низкотемпературного окисления СО, при различной глубине восстановления. Поскольку для химически достаточно инертных углеродных волокон изменение природы прекурсора на конечные наносистемы можно считать незначительным фактором воздействия, значительный эффект такого воздействия можно рассматривать как подтверждение гипотезы о возникновении самоорганизующихся систем.
Методы. Расчеты произведены с помощью пакета MS Office Professional 2013. Серия палладийсодержащих нанокатализаторов была приготовлена на активированных углеродных волокнах «Бусофит Карбопон-Актив» с активной поверхностью 1300 $\text{м}^2/\text{г}$ и «Мтилон-М» с активной поверхностью 2700 $\text{м}^2/\text{г}$; размеры наночастиц варьировались путем подбора режимов сушки послепропитки ионами $Pd^{2+}$. Начальную скорость реакции определяли газохроматографически по уменьшению концентрации СО.
Результаты. Вычисление граничных размеров активных фракций полученных наносистем с помощью Модели покраски шаров показало, что природа носителя оказывает существенное влияние на эти размеры. У наносистем на Карбопоне в сравнении с наносистемами на Мтилоне-М наблюдается не только смещение активности в сторону частиц с меньшим диаметром, но и значительное сужение интервала размеров, в пределах которого наночастицы сохраняют активность. Восстановление приводит к непрерывному сужению этого интервала, и потому суммарная активность становится ниже с повышением содержания восстановленной фазы. Нанесенные на Мтилон-М катализаторы характеризуются широким распределением по размерам, при этом активность проявляют необычайно крупные частицы.Несмотря на несущественные различия в структуре носителя характеристики наносистем разнятся значительно. Это говорит о том, что более вероятными представляются процессы с образованием автокаталитических гиперциклов, в противном случае можно было бы ожидать, что активными будут являться частицы одного и того же размера независимо от природы носителя.
Выводы. Тонкие изменения структуры матрицы-носителя приводят к существенным отличиям в характеристиках нанокатализаторов - границы активных фракций взаимно смещены, а интервал граничных размеров может быть как достаточно широким, так и предельно узким. Это согласуется с гипотезой об образовании автокаталитических гиперциклов, уровень сложности которых позволяет говорить о самоорганизации.
Практическое значение. Высокая токсичность, отсутствие цвета и запаха, низкая адсорбция и химическая инертность СО делают его одним из наиболее опасных токсинов. Удаление СО на практике серьезно затруднено, и применение нанокатализаторов для систем жизнеобеспечения и дыхания является в этом аспекте практически безальтернативным. Надежный метод получения самоорганизующихся высокоэффективных наносистем, способных удалять СО при комнатных условиях, нашел бы применение для очистки атмосферы замкнутых жилых пространств - салонов автомобилей, космических кораблей, подводных лодок, в промышленных цехах, и др. Учитывая, что практически для всех других газообразных токсинов, за исключением СО, разработаны надежные системы удаления, восполнение этого пробела позволит создать универсальные фильтры для систем жизнеобеспечения.
Социальные последствия. Работа в этом направлении может стать решением ряда социальных задач, включая безопасность здоровья во время нахождения в автомобильных пробках, особенно для групп риска.
Оригинальность/ценность. Доказательство образования гиперциклов на высоком уровне сложности, способных к дальнейшей самоорганизации, и их тщательное изучение имеет большое теоретическое значение для понимания возможностей, которые открываются для неравновесных диссипативных систем - не исключено, что они могут быть сопоставлены с вопросами о происхождении жизни и эволюции гиперциклов в природе. Изучение влияния природы прекурсора углеродного волокна на поведение гиперциклов представляется достаточно неожиданным, но тем не менее остается плодотворным.