Раскрытие секрета твердых катализаторов повысит экологичность химпроцессов

Зависимость эффективности твердых кислотных катализаторов от поведения протонов на их поверхности установили специалисты Института химии и химической технологии СО РАН, 30 октября сообщает пресс-служба Красноярского научного центра (КНЦ) СО РАН.

Полученные красноярскими исследователями новые данные помогут создавать эффективные и экологичные твердые катализаторы, чтобы заменить ими в химической промышленности токсичные жидкие кислоты.

Реакции во многих современных химических производств — от создания лекарств до получения топлива — идут с участием катализаторов, задача которых ускорять химические процессы. Для ряда таких процессов в качестве катализаторов необходимы кислоты. Но при этом по завершению реакции бывает трудно отделить готовый продукт от катализатора.

Единственным способом в этом случае является нейтрализация катализатора. Но она приводит к образованию токсичных стоков, которые, попадая в воду или почву, вредят животным, растениям и микроорганизмам.

Проблему может решить переход на катализаторы из твердых нерастворимых кислот. В конце реакции их легко удалить простой фильтрацией. Однако часто у таких катализаторов эффективность гораздо ниже, чем у жидких аналогов.

Для выяснения, что оказывает влияние на скорость химических реакций с участием твердых кислот, ученые КНЦ СО РАН исследовали процессы гидролиза этилацетата на этиловый спирт и уксусную кислоту с участием двух типов твердых катализаторов: суперкислотный полиоксометаллат цезия и сульфированный углерод.

Ученые установили, что эффективность катализа твердых кислот зависит от поведения протонов (положительно заряженных частиц): силу кислоты как катализатора определяет именно способность отдавать протон другим молекулам. При контакте растворенных в воде электронейтральных молекул этилацетата с поверхностью суперкислотного твердого катализатора происходит выталкивание протонов наружу.

Эти протоны концентрируются на поверхности катализатора, создавая плотное и мощное положительно заряженное «облако» (в науке его называют двойной электрической силой). Такое «облако» протонов существует в воде всегда, но наличие молекул этилацетата приводит к кардинальному изменению его структуры и плотности, которое в результате увеличивает эффективность твердого суперкислотного полиоксометаллата цезия по ускорению химических реакций.

Однако использование сульфированного углерода дало обратную картину. Молекулы органического растворителя этилацетата прочно блокируют на поверхности этого катализатора его активные центры, мешая кислоте выделять протоны, что снижает ее каталитическую активность.

Отсюда следует, отмечают красноярские ученые, что каталитическая активность определяется не только силой кислоты, но зависит и от тонких эффектов на поверхности, на которые может влиять контакт с реагентом.

Таким образом, знание процессов, происходящих на поверхности катализаторов, важно для разработки более эффективных «зеленых» химических технологий.

Один из участников исследования, младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Виктор Голубков так пояснил его суть:

«В качестве примера можно рассмотреть гидролиз целлюлозы, химическую реакцию разложения вещества с участием воды. Целлюлоза — это возобновляемый источник углеводов, который можно превращать в биотопливо, полимеры и различные химикаты. Идеальными кандидатами для такой реакции являются твердые катализаторы, и наше исследование позволило заглянуть в интересный аспект их работы».

Ученые установили, что при катализе главную роль играет не поверхность катализатора, а окружающее ее «протонное облако». Хотя твердая нерастворимая целлюлоза и даже ее растворимые фрагменты не могут проникнуть в узкие поры катализатора, реакцию запускают протоны из диффузного слоя.

«Наше исследование объясняет, почему одни твердые кислоты работают хорошо, а другие нет. Всё зависит от того, как формируется и ведет себя протонное облако при контакте с реагентами. Теперь мы понимаем, что для эффективного твердого катализатора нужно создавать материалы с развитой поверхностью, которая оптимально формирует диффузный слой и не „забивается“ промежуточными продуктами», — дополнил свой рассказ ученый.

Результаты исследования красноярские ученые представили в статье «Влияние адсорбции электрически нейтральных реагентов на образование двойных электрических слоев в твердокислотных катализаторах и его связь с каталитической активностью» (Influence of Adsorption of Electrically Neutral Reactants on the Formation of Electrical Double Layers in Solid Acid Catalysts and Its Relation to Catalytic Activity), опубликованной в журнале Langmuir.

Опираясь на полученное в результате исследования глубокое понимание физико-химических принципов работы твердых кислотных катализаторов, можно будет разрабатывать новые «зеленые» твердые катализаторы для промышленности, не создающие ядовитые солевые стоки.

Быстрый переход от лабораторных исследований к реальному производству таких экологичных катализаторов может быть осуществлен в случае создания планируемого в регионе научно-производственного кампуса, объединяющего научные институты, университеты и промышленные предприятия, отмечают исследователи.