Ученые Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) первыми продемонстрировали высокую эффективность тепловидения нового поколения для изучения каталитических реакций при комнатной температуре и для анализа быстропротекающих сорбционных процессов. Исследователи показали, что современный тепловизионный метод чувствителен к мельчайшим нюансам физико-химических превращений и способен заменить традиционные контактные методы температурной диагностики. Подробности опубликованы в научном обзоре, в котором руководитель научной группы, ведущий научный сотрудник ИФП СО РАН, профессор Новосибирского государственного университета, доктор физико-математических наук Борис Григорьевич Вайнер обобщает мировой опыт и представляет ряд оригинальных результатов применения тепловидения в качестве аналитического инструмента экспериментальной химии.
Катализаторы – особые вещества, способные ускорять химические реакции. Катализ широко используют в промышленности, в том числе, в металлургии, применяют для решения экологических проблем и актуальных задач в других сферах. Обычно каталитические реакции контролируют с помощью температурных датчиков, размещенных внутри реактора. Однако у такого способа мониторинга есть недостатки: один из основных – это ограниченность штучным числом термодетекторов, по показаниям которых получают информацию о химическом процессе. Современный тепловизор, по сути, выполняет функцию сотен подобных термодатчиков, распределенных вдоль слоя, где протекает каталитическая реакция.
«Экспериментальным путем мы впервые достоверно показали, что чем выше температура каталитической реакции, тем выше активность катализатора. Ранее этот факт преимущественно признавали лишь априори очевидным. Связать эффективность реакции с ее температурой удалось благодаря синхронному применению матричного тепловизора ТКВр-ИФП/СВИТ, разработанному нами в ИФП СО РАН, и газоанализатора. Последний регистрировал изменение концентрации угарного газа (CO) на выходе реактора в опытах по окислению СО на наночастицах золота в присутствии паров воды. Чем выше была температура реакции, тем меньше угарного газа появлялось в газоанализаторе, то есть тем лучше работал катализатор, помогая окислять ядовитый CO до сравнительно безопасного углекислого газа (CO2)», – объясняет Борис Вайнер.
«Фактически, эта работа явилась первой научно-обоснованной заявкой на то, что тепловидение нового поколения способно со временем заменить ряд классических методов контроля в катализе», – добавляет исследователь.
Еще один феномен, который интересовал ученых – это адсорбция (захват, осаждение) молекул газа на поверхности твердого тела, также вызывающая тепловой эффект. Химические реакции зачастую начинаются именно с адсорбции, а чувствительность современного тепловизора настолько высока, что он способен разглядеть еле заметные температурные колебания, начиная с первых мгновений «соприкосновения» веществ. При этом выигрышной стороной тепловидения является то, что не нужно каждый образец измерять по отдельности.
«Мы провели показательный тепловизионный эксперимент, продемонстрировавший, как в смеси водяного пара, азота, кислорода и угарного газа изменяется температура сразу у нескольких органических и неорганических соединений одновременно. В том числе, у привычных «бытовых» рассыпчатых материалов: поваренной соли, горчичного порошка, манной крупы, сахарной пудры, порошка стрептоцида, гидроксида магния, золотого катализатора, нанесенного на поверхность оксида алюминия и самого оксида алюминия.
Одна часть этих веществ оказалась совершенно индифферентна к данной газовой среде. Однако другая проявила к ней высочайшую чувствительность. Последнее связано, как с увеличенной сорбционной способностью поверхности к парам воды, так и, в случае наночастиц золота, с каталитической реакцией окисления CO. Данный эксперимент, также описанный в обзоре, наглядно продемонстрировал высокие перспективы применения тепловидения в режиме синхронной диагностики больших библиотек образцов.
Результаты опубликованных в мировой литературе исследований показывают, что, используя такой интегрированный подход, можно с помощью тепловизионной камеры контролировать температурные процессы на сотнях и даже тысячах проб одновременно. Соответственно, появляется возможность заметно снизить стоимость характеризации материалов и процессов в химии, быстрее определять новые эффективные катализаторы, решать другие комплексные научно-технические проблемы», – комментирует Борис Вайнер.
По словам исследователя, фантастическая чувствительность современного матричного тепловизионного метода (сотые доли градуса) и его высокое быстродействие позволяют «увидеть» распространение сложного и динамически изменяющегося профиля тепловых волн в слоях катализатора в режиме реального времени с разрешением в сотую долю секунды и даже выше. Оригинальные примеры вышеупомянутой эволюции тепловых волн также впервые представлены в обзоре. Результаты таких исследований важны для лучшего понимания того, как молекулы газа взаимодействуют с поверхностью реагентов при адсорбции и катализе. Других прямых способов извлечь подобную информацию сегодня не существует.
«Конечно, особенности температурных изменений в реакторе можно пытаться моделировать теоретически. Однако показать, как реально протекают физико-химические процессы, удается исключительно в эксперименте. Когда, создавая обзор, я анализировал опубликованный в литературе материал, то убедился, что наша научная группа дает фору специалистам, применяющим как тепловизионные технологии, так и альтернативные методы исследования в химии. Результатов, подобных нашим, в мире пока еще никто не получал» – отмечает Борис Вайнер.
Исследования выполнялись при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, номер гранта 18-08-00956.
Пресс-служба ИФП СО РАН
На фото в заставке: Борис Вайнер, автор исследования, ведущий научного сотрудника Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН.
На фото справа: термограмма.
[Фото предоставлены Борисом Вайнером]
