На главную

 
Научные подразделения Центра
Научная библиотека
Научные советы
Издательская деятельность
История ИК СО РАН
Версия для печати | Главная > Центр > Научные советы > Научный совет по катализу > ... > 2007 год > № 44

№ 44

Обложка номера

СОДЕРЖАНИЕ

Е.З. Голосман
(К 70-летию со дня рождения)

Научный совет по катализу ОХНМ РАН
Отчет о Научно-организационной деятельности в 2007 году

В.Н. Снытников
О конференции "Происхождение и эволюция биосферы", Лутраки, Греция

В.В. Городецкий
Лауреат Нобелевской премии по химии 2007 года Герхард Эртл

Сертификат журнала "Journal of Catalysis"

Г.И. Панов
Участие Российских ученых в работе 8-го Европейского конгресса по катализу Europacat-VIII (Статистические данные)

За рубежом

Приглашения на конференции




Евгений Зиновьевич Голосман. К 70-летию со дня рождения

Подробнее


Научный совет по катализу ОХНМ РАН. Отчет о научно-организационной деятельности в 2007 году

Подробнее


О конференции "Происхождение и эволюция биосферы"

Подробнее


Лауреат Нобелевской премии по химии 2007 года Герхард Эртл

Лауреат Нобелевской премии по химии 2007 года Герхард Эртл

профессор Эртл Нобелевская премия в области химии


Prof. Dr. Gerhard Ertl
Director of the Dept. of Physical Chemistry (1986 -2004)

10 октября 2007 года мне неожиданно позвонил журналист "Российской газеты" Юрий Медведев, задав вопрос, - а незнаком ли я с профессором Эртлом из Германии, которому полчаса назад была присуждена Нобелевская премия в области химии. Ранее он обращался в Институт химической физики РАН прокомментировать мотивацию решения Нобелевского Комитета: "премия присуждена профессору Г. Эртлу за исследования химических процессов на твердых поверхностях, поскольку знания в этой области очень важны для химической промышленности и дают, в частности, понимание процессов ржавления железа, работы действия катализаторов.Этот раздел химии позволяет также изучить процессы уменьшения озонового слоя Земли". Ему посоветовали позвонить в Институт катализа для уточнения опубликованной мотивации "как бы из первых рук". я подтвердил, что действительно хорошо знаком с профессором Эртлом и его исследованиями, поскольку с 1992 по 1994 год работал в Институте Фрица Хабера (Берлин) в рамках российско-немецкого сотрудничества в области гетерогенного катализа. В своем комментарии к опубликованной мотивации я сообщил, что не знаком с работами профессора Эртла по исследованию процессов ржавления железа и уменьшению озонового слоя Земли, но очень хорошо знаю его фундаментальные достижения в области гетерогенного катализа на металлах. К сожалению, в опубликованной на следующей день небольшой заметке "Портрет реакции" в "Российской газете" была процитирована только небольшая часть интервью, посвященного основным достижениям профессора Герхарда Эртла, удостоенным Нобелевской премии.

В конце 90-х годов прошлого столетия директор Института катализа в Эйндховене (Нидерланды) профессор Рутгер ван Сантен в популярной статье "От алхимии 16 века к молекулярному катализу 21 века" подвел итог основных достижений в области катализа за прошедший век, представленный в виде таблицы (рис. 1), особо выделив пионерские открытия Эртла в области изотермических автоко-лебаний и химических волн на монокристаллах металлов платиновой группы.

Я бы хотел остановиться только на 4-х направлениях исследований профессора Г.Эртла, представленных в разное время в журнале "Nature", и приведших к формированию современных представлений в области катализа на металлах.

"Механизм Ленгмюра - Хиншельвуда". Реакция окисления СО в течение длительного времени была предметом систематических исследований в гетерогенном катализе. В начале прошлого века Боденштейном впервые была обнаружена пропорциональная зависимость скорости реакции от соотношения парциальных давлений Р(О2)/Р(СО). В предложенном им механизме лимитирующей стадией предполагалась диффузия молекул реактантов через плёнку конден-сированной фазы на поверхности катализаторов. В начале 20-х годов Ленгмюр [1] при изучении реакции окисления СО на платине подтвердил ранее обнаруженную зависимость скорости реакции от соотношения Р(О2)/Р(СО) и пришёл к заключению, что реакция протекает в адсорбционном слое через стадию диссоциации молекул О2 с последующим образованием двуокиси углерода по двум независимым маршрутам: (i) при взаимодействии атома Оадс с молекулой СОадс (механизм Ленгмюра - Хиншельвуда): (ii) при взаимодействии атома кислорода Оадс с налетающей из газовой фазы молекулой СО. Им впервые было обнаружено ингибирующее действие слоя адсорбированных молекул СОадс на скорость протекания реакции. Впоследствии механизм с образованием промежуточного комплекса между адсорбированными частицами и налетающими молекулами из газовой фазы был назван ударным механизмом Или - Ридила, и стал одним из наиболее применяемых и широко обсуждаемым в литературе.

рис.1
R.A. van Santen, CATTECH 2 (1998) 161- 168.
рис.1

Только в конце 70-х годов Эртлу с сотр. [2] с использованием метода молекулярных пучков на примере реакции окисления СО на грани Pd(111) удалось показать отсутствие ударного механизма и однозначно доказать про-текание реакции по 3-х стадийному адсорбционному механизму Ленгмюра - Хиншельвуда. Работа приобрела мировую известность. Благодаря этим исследованиям в течение последующих 30 лет кинетическое описание механизма реакций гетерогенного катализа с участием ударного механизма практически исчезло со страниц современной научной литературы!

"Синтез аммиака". ярким примером решения проблемы "pressure gap", заключающейся в адекватном переносе экспериментальных данных, полученных в адсорбционных исследованиях на монокристаллах при давлении реакционной смеси Рi ~ 10-6 тор, на описание механизма действия активных поверхностей в реальных каталитических процессах, послужили работы Эртла по изучению механизма синтеза аммиака на железных катализаторах: Nature (1985) [3].

"Химические волны". Известно, что проведение реакций в условиях, далеких от равновесных, может сопровождаться появлением таких необычных явлений, как автоколебания, кинетические фазовые переходы, множественность стационарных состояний и хаос.

рис.2

С начала открытия в гетерогенном катализе автоколебаний скорости химических реакций прошло более 30 лет. К настоящему времени насчитывается несколько сот публикаций, описывающих это явление на катализато-рах различного типа: от металлов до цеолитов. Наибольший прогресс в изучении природы автоколебаний на макроскопическом уровне был достигнут на монокристаллах металлов платиновой группы в реакциях СО+О2, NO+Н2, NO+NH3. Создание в конце 80-х годов Эртлом метода фотоэлектронной микроскопии позволило открыть новое, ранее неизвестное явление: образование химических волн на поверхности Pt и Pd монокристаллов в условиях автоколебаний скорости химических реакций: Nature (1990) [4]. Например, в реакции СО+О2/Pt(110) с пространственным разрешением ∼ 1 микрон визуально наблюдалось регулярное распространение реакционных фронтов из адсорбированных слоев Оадс (темные спирали) и СОадс (светлые спирали), рис. 2 [4].

Переход на атомарный уровень исследования активных центров был осуществлен в совместных исследованиях Института катализа и Института Фритца Хабера с привлечением метода полевой ионной микроскопии (ПИМ), позволяющего изучать динамический характер поверхностных процессов в масштабе реального времени in situ с пространственным атомным разрешением на одиночных нанокристалли-тах (остриях). На поверхности Pt-острий с размерами порядка ∼ 700 Å впервые было обнаружено и исследовано периодическое появление химических волн при изотермических автоколебаниях скорости реакции Н2 + О2: Nature (1994) [5]. Был сделан вывод, что самоорганизация реакции через образование подвижных волн на активных поверхно-стях с пространственными размерами в сотни ангстрем является фундаментальным свойством автоколебательного режима протекания реакций, понимая под самоорганизацией - самопроизвольное установление в неравновесных диссипативных средах устойчивых регулярных структур (химических волн).

рис.3
Рис. 3.

На рис. 3 в качестве примера приведено зарождение и распространение регулярных волн в условиях автоколебаний скорости реакции окисления Н2 на Pt-острие при Т = 300 К [5]. Видно, что образование волны Н2О (Н2О+) начинается на нанограни (100), имеющей пространственные размеры  400 Å. За-тем волна быстро распространяется в направлении от грани (100) к граням 111 и менее чем за 2 с проходит по всей поверхности острия (г) с последующим возвращением в исходное состояние (а).


Один из авторов, Владимир ГородецкийОдин из авторов,
Владимир Городецкий,
на фото рядом с видеоизображением Pt острия на экране монитора.




Горячий кислород. В последнее время огромный интерес вызывают исследования по изучению реакционной способности т.н. "горячих" ("hot") атомов кислорода, образующихся при термической, либо фотохимической диссоциации адсорбированных молекул О2адс на платине

рис.4
Рис. 4.

В пионерских исследованиях, выполненных Эртлом методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), была обнаружена высокая кинетическая энергия движения "горячих" атомов вдоль поверхности металла. Например, на грани Al(111) в момент диссоциации молекул кислорода О2адс, образующиеся атомы Оадс способны разлетаться на расстояние до ~ 80 Å друг от друга. Образование "разлетающихся" атомов кислорода при диссоциации молекул О2адс на грани Pt(111) было обнаружено Эртлом методом СТМ: Nature (1997) [6]. "Разлёт" атомов Оадс от центра диссоциации молекулы О2адс составил удвоенную величину параметра решетки поверхности Pt, 2α = 5.6 Å.

На рис. 4 приведен характер роста островков атомарного кислорода Оадс, образующихся в ходе диссоциации молекул О2 при различных температурах. Видно, что рост островков в виде вытянутых "нитей" происходит под углами 120° по отношению друг к другу. В ряде работ предполагается, что возбуждённые кислородные атомы (в "момент диссоциации О2адс" ("nascent"), "горячие" ("hot") или претерпевающие "диффузионный прыжок") могут играть ключевую роль в осуществлении низкотемпературного механизма окисления CO на металлах платиновой группы.

Prof. Dr. Gerhard ErtlВ заключение, хотелось бы сказать несколько слов об истории Института физической химии, организованного в Берлине в 1911 году. Первым руководителем Института был профессор Фриц Хабер, удостоенный Нобелевской премии по химии в 1918 году за разработку метода каталитического синтеза аммиака из атмосферного азота и водорода. Вторая Нобелевская премия по химии была присуждена руководителю физического отдела Института профессору Отто Гану в 1945 году - за открытие деления ядер урана. Третья Нобелевская премия (по физике) была присуждена руково-дителю отдела микроскопии Института в 1986 году профессору Эрнсту Руска - за создание в 1931 году электронного микроскопа. Узнав о присуждении Нобелевской премии, Руска от нее отказался, мотивировав отказ почти 50-летним её ожиданием!

Четвертый лауреат Нобелевской премии, руководитель отдела физической химии Института Фрица Хабера профессор Герхард Эртл, представлен на фотографии после прочтения Нобелевской лекции в Chalmers University of Technology, Göteborg (Øвеция) в окружении благодарных слушателей - профессора Б. Каземо, ректора Chalmers Университета и профессора В. Жданова.

За период 1969 - 2007 гг. профессор Эртл опубликовал 673 статьи, которые можно найти на сайте Института Фрица Хабера.

Узнав о присуждении Нобелевской премии, Герхард Эртл, которому в день присуждения исполнился 71 год, признался, что получил "лучший подарок, который можно сделать человеку".

Литература

1. I. Langmuir, Trans. Faraday Soc. 17 (1922) 621.
2. T. Engel, G. Ertl, J. Chem. Phys. 69 (1978) 1267.
3. T. Rayment, R. Schlögl, J.M. Thomas, G. Ertl, Nature 315 (1985) 311.
4. H.H. Rotermund, W. Engel, M. Kordesh, G. Ertl, Nature 343 (1990) 355.
5. V. Gorodetskii, J. Lauterbach, H.H. Rotermund, J.H. Block, G. Ertl, Nature 370 (1994) 277.
6. T. Zambelli, J. V. Barth, J. Wintterlin, G. Ertl, Nature 390 (1997) 495.

д.х.н. В.В. Городецкий,
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН



Сертификат журнала Journal of Catalysis

Подробнее


Участие Российских ученых в работе 8-го Европейского конгресса по катализу, Europacat-VIII

Подробнее


За рубежом

Подробнее


Приглашения на конференции, выставки

Подробнее



Copyright © catalysis.ru 2005-2023
Политика конфиденциальности в отношении обработки персональных данных