Ученые ФИЦ «Институт катализа СО РАН» при поддержке РНФ создали катализаторы для производства изобутилена — популярного компонента для химической промышленности. Им удалось решить проблемы дороговизны и токсичности, которые есть в существующих системах. Доля выхода изобутилена составила рекордные 45%. Эта разработка актуальна в условиях снижения отечественного рынка производства изобутилена.
ZrO2-катализатор дегидрирования, полученный лазерным синтезом в восстановительной атмосфере, продемонстрировал высокую эффективность в дегидрировании изобутана. Источник изображения: ИК СО РАН
Ситуация на рынке
Изобутилен — один из самых востребованных продуктов для химической промышленности. На его основе производят растворители, аэрозоли, хладагенты, полимеры, повышают качество топлив, производят другие ценные для химпрома компоненты.
Объем мирового рынка изобутилена и его производных растет: в 2023 году он оценивался в $28.6 млрд, а к 2030 году прогнозируется достижение $38.9 млрд. Среднегодовой темп роста — 4.5%.
Несмотря на мировой рост, в России наблюдается обратная ситуация — из-за ковидных трудностей и последующих санкций объем производства снизился с 2019 года на 30%. Особенно сильно это сказалось на бутилкаучуке — ключевом компоненте для автомобильной промышленности. В связи с этим отечественные технологии получения изобутилена критически важны.
Оксид циркония — доступный и нетоксичный
Сейчас в производстве изобутилена методом дегидрирования изобутана используют два типа катализатора — на основе платины и хрома. И у них есть заметные недостатки. «Платиновые катализаторы обладают достаточно высокой стоимостью, тогда как хромсодержащие катализаторы высокотоксичны. Поэтому исследователи прикладывают значительные усилия в поиске новых эффективных и в то же время недорогих и экологически безопасных катализаторов дегидрирования», — рассказывает младший научный сотрудник отдела гетерогенного катализа ИК СО РАН Александр Нашивочников.
И тут, по словам ученого, на сцену «выходит» оксид циркония. Долгие годы его исследовали в дегидрировании, но как носитель катализатора. И совсем недавно было обнаружено, что он проявляет собственную высокую активность, не уступая промышленным катализаторам, но при этом доступен и нетоксичен.
Оксид циркония интересен тем, что работает сам по себе — ему не нужен носитель. Он активен за счет кислородных вакансий: чем больше активных центров дегидрирования, тем он эффективнее работает. Ученые с помощью лазера синтезировали в восстановительной атмосфере системы с увеличенным числом кислородных вакансий, запустили реакцию дегидрирования изобутана и получили один из самых высоких описанных в литературе результатов — 45% выхода изобутилена.
«Лазером катализатор пока еще никто не синтезировал. Мы занимаемся дизайном наноматериалов, собираем и разбираем наши системы, как кубики. Мы решили попробовать испарить материал в восстановительной атмосфере и создать как можно больше нужных нам кислородных вакансий. И это дало результат: очень большой рост активности катализатора, полученного в атмосфере гелия и водорода», — отмечает ученый.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ и Правительства Новосибирской области (№ 24-23-20066).
Источник информации и изображения: ФИЦ «Институт катализа СО РАН»
