Перейти на стартовую страницу
2020-08-25 13:21:00 /РИА "Сибирь" /Новосибирск
Новосибирские ученые-физики доказали высокую эффективность тепловидения




Ученые Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова 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.

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: 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 в Институте физики полупроводников, 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 руководитель научной группы, ведущий научный сотрудник Института физики полупроводников СО РАН, профессор Новосибирского госуниверситета, доктор физико-математических наук 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.

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 "соприкосновений" 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, отметили в пресс-службе Иеститута физики полупроводников СО РАН.