Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) вместе с зарубежными коллегами выяснили, как повысить эффективность использования наноразмерных золотых катализаторов при производстве ценных продуктов для фармацевтической, химической и агрохимической промышленности. Результаты исследования опубликованы в журнале ChemCatChem.
«Жидкие спирты образуются в больших количествах при переработке биомассы. Сейчас это очень большая отрасль экономики и в России, и в зарубежных странах, так как селективное окисление этих соединений может позволить использовать их в качестве нового ресурса для производства соответствующих альдегидов, кетонов, эфиров и жирных кислот, которые являются ценными промежуточными продуктами для фармацевтической, косметической и агрохимической промышленности, производства биотоплива. Н-октанол для исследования был выбран, во-первых, потому, что это очень трудноокисляемый спирт, который используется для модельной реакции жидкофазного окисления, а во-вторых, он в больших количествах получается, например, при переработке кожуры цитрусовых. Это очень актуально для наших коллег из Латинской Америки», — говорит один из авторов статьи, профессор исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Алексей Пестряков.
По словам ученых, существуют альтернативные способы работы с отходами без использования катализаторов, однако они предполагают применение серной кислоты, соединений шестивалентного хрома и так далее. То есть условия, далекие от требований «зеленой химии» — одного из приоритетных направлений развития химической технологии.
«Оценка каталитических свойств в рамках нашего исследования проводилась в условиях, близких к требованиям «зеленой химии»: при низкой температуре и атмосферном давлении, без использования оснований и стехиометрических окислителей, приводящих к образованию большого количества токсичных отходов», — рассказывает ученый.
Добавим, уникальность наноразмерных золотосодержащих катализаторов в том, что они суперактивные. И способны ускорять химические процессы при низких температурах, например, меньше 150 градусов Цельсия. Однако для наиболее эффективного использования катализаторов ученым необходимо было выявить природу активного центра данных систем — одного из ключевых аспектов гетерогенного катализа. Точное знание природы активных центров, по словам ученых, позволяет проводить направленный синтез высокоэффективных катализаторов с заданными свойствами.
«В катализе для того, чтобы молекула исходного вещества превратилась в продукт, она должна адсорбироваться, «сесть» на катализатор и претерпеть там определенные химические превращения. При этом «садится» она не на любую точку катализатора, так как у него сложная структура — наночастицы золота, нанесенные, в нашем случае, на оксид титана, модифицированный оксидами церия и лантана. И если мы будем знать, что является активным центром, мы сможем подобрать состав и условия, чтобы добиться максимальной доли активных состояний и наиболее эффективно использовать катализатор», — поясняет Алексей Пестряков.
Ученые провели ряд каталитических экспериментов и спектральных исследований. Также были изучены физико-химические и структурные свойства катализаторов, выявлены все возможные закономерности. На основе этих данные ученые выявили активные центры.
«Золото на поверхности катализатора имеет три состояния: металл — незаряженное состояние, однозарядные ионы и трехзарядные ионы. По итогам исследования были выявлены закономерности, что наиболее активны те системы, где максимальная доля однозарядных ионов золота. Именно их мы и рассматривали как активные центры. Кроме того, важную роль играют и носитель с добавками. Этому была посвящена отдельная область исследования. В качестве добавок мы использовали оксиды церия и лантана. Более эффективным себя показал лантан», — подытожил автор статьи.
Источник: https://indicator.ru/news/2019/03/31/effektivnost-zolotyh-katalizatorov/
