Лучшие катализаторы устойчивой биоэкономики

Исследователи из Института Пауля Шеррера PSI и ETH Zurich хотят сделать так называемые цеолиты более эффективными. Сегодня эти соединения уже являются незаменимыми добавками в химической промышленности и используются в качестве катализаторов на нефтеперерабатывающих заводах с 1960-х годов. Теперь в журнале Nature Materials исследователи рекомендуют уделять больше внимания классическим цеолитам. Они утверждают, что они даже могут сделать возможной биоэкономику, основанную на возобновляемых ресурсах.

Чтобы преобразовать нашу экономику, основанную на ископаемом топливе, в устойчивую биоэкономику, мы должны заменить ископаемые ресурсы возобновляемым сырьем. Но нефть, исходный материал для многих продуктов химической промышленности, нельзя просто обменять на древесину, кукурузу и солому, поскольку растения состоят из молекул совершенно другого типа, чем «черное золото». Чтобы приводить в действие автомобили и производить широкий спектр пластмасс или лекарств, возобновляемое сырье должно сначала пройти химическую переработку. Здесь на помощь приходят катализаторы, то есть вещества, которые запускают химические реакции или делают их возможными.

Чрезвычайно перспективными катализаторами для этой цели являются цеолиты, каркасные соединения из алюминия, кислорода и кремния. Цеолиты встречаются в природе – например, в виде минералов в горных породах – или производятся синтетическим путем. Они являются одними из самых важных катализаторов в химической промышленности. С 1960-х годов они использовались на нефтеперерабатывающих заводах для крекинга, процесса разделения длинных углеводородных цепей на более короткие. Они также используются, например, в качестве ингредиентов в моющих средствах, в процессах смягчения воды и в системах тепловых резервуаров.

Цеолиты облегчают переход к биоэкономике, позволяя преобразовывать биомассу в молекулы, в которых отчаянно нуждается промышленность. Однако: «На данный момент исследования цеолитов зашли в тупик», – говорит Виталий Сушкевич, ученый из Лаборатории катализа и устойчивой химии PSI. Вместе с коллегами из PSI и ETH Zurich он хочет вывести исследования цеолитов из этого тупика.

Весь алюминий не тот

Проблема: чтобы разработать катализаторы для биоэкономики, исследователи всего мира работают над цеолитами, которые также содержат атомы олова, титана или циркония. Однако их производительность не может быть увеличена дальше. Поэтому команда Сушкевича рекомендует вернуться к классическим цеолитам, которые состоят только из кремния, алюминия и кислорода. «Это очень эффективные катализаторы», – говорит Сушкевич. «Особенность в том, что они могут быть модифицированы и адаптированы для конкретных целей. Вы даже можете катализировать несколько химических реакций одну за другой». В этом случае желаемый продукт D удобно создавать из исходного материала A на промежуточных стадиях B и C.

Атомы алюминия являются важным элементом этих цеолитов. Первоначально они прочно закреплены на цеолитном каркасе. Посредством нагревания и других уловок они могут быть высвобождены из этого соединения и, таким образом, могут катализировать реакции, важные для биоэкономики.

Докторант Манодж Рави из ETH Zurich проанализировал литературу по этому вопросу и обнаружил несколько несоответствий. «То, как атомы алюминия катализируют реакции, очевидно, намного сложнее, чем считалось ранее», – говорит он. Например, не все атомы алюминия полностью высвобождаются из соединения каркаса. Вместо этого в таком цеолите сосуществуют три разных типа атомов алюминия: те, которые все еще застревают в каркасе, те, которые частично отсоединены, и те, которые полностью отсоединены. «Важно отличать эти три типа друг от друга, а не смешивать их вместе».

Понимание происходящего

PSI также сам синтезирует цеолиты и анализирует их структуру, например, с помощью Swiss Light Source SLS. «Измерения в крупных исследовательских центрах и с помощью других современных технологий помогают нам лучше понять структуру важных активных центров», – говорит Сушкевич. Активные центры – это участки катализатора, в которых происходит реакция.

Этот подход может быть полезен не только при переходе к биоэкономике, но и при переработке классических ископаемых ресурсов, добавляет химик.

Статья будет опубликована 21 сентября 2020 года в журнале Nature Materials .