Ученые разработали новый катализатор на основе металла рутения, который позволяет перерабатывать растительные отходы в экологичное топливо. Благодаря новой технологии удалось получить кластеры рутения размером менее нанометра и равномерно распределить их в пористом носителе, что заметно повысило активность материала. Также химики нашли способ возвращения работоспособности катализаторов, утративших эффективность, что способно снизить затраты на их изготовление.
Переход к более чистым источникам энергии требует сокращения использования угля, нефти и газа. Одним из перспективных направлений является выпуск горючего из отходов деревообработки. Получаемая из них бионефть представляет сложную смесь. Чтобы такое сырье стало полноценным топливом, из него необходимо удалить избыточный кислород с помощью процесса гидроочистки, где ключевую роль играют металлические катализаторы.
Обычно рутений наносят на пористый носитель методом пропитки растворами солей. Однако частицы металла при этом склонны слипаться и концентрироваться на поверхности, что быстро снижает их активность.
Ученые Южного федерального университета совместно с коллегами из Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова предложили простой метод получения рутениевых катализаторов и рентгеновской диагностики структуры активных центров непосредственно в ходе реакции.
Основной способ их приготовления — пропитка пористого носителя растворами солей металла — после удаления жидкости наноразмерные частицы рутения склонны слипаться. Ученые предложили механохимический подход, при котором реагенты смешиваются без растворителей. В качестве источника металла использовали трикарбонил рутения. В результате кластеры равномерно заполнили поры носителя, а после термообработки был получен высоко активный материал. Информацию о структуре катализатора на разных этапах его подготовки получили в режиме in situ на Курчатовском источнике синхротронного излучения с помощью методики, разработанной в ЮФУ.
Схема производства высокоактивных рутениевых катализаторов, а также их получения из неактивных катализаторов. Источник: Евгений Наранов
Испытания нового катализатора в реакции гидрирования гваякола, одного из основных компонентов древесной бионефти, показали его высокую эффективность: активность катализатора оказалась до 60% выше по сравнению с образцами, полученными классическим методом, а степень очистки сырья достигла 100%. Такая активность достигается благодаря наличию активных центров рутения в катализаторе, которые были идентифицированы с помощью рентгеновского излучения и в ходе реакции эволюционировали от Ru(CO)2 до состояния металлических наночастиц. Особое значение имеет обнаруженный способ восстанавливать отработанные катализаторы. Обработка синтез-газом — смесью угарного газа и водорода – при повышенных температурах и давлении приводит к уменьшению размера частниц рутения. По мнению авторов, аналогичный подход может быть применен к системам на основе никеля, железа и родия.
«Такие разработки — это серьезный шаг вперед в области экологичных технологий и переработки биосырья. Особенно важно, что удалось не только повысить эффективность катализатора, но и предложить способ его восстановления, что делает решение более устойчивым и экономически выгодным. Вклад команды Южного федерального университета в работу состоял в рентгеновской диагностике катализатора на разных стадиях его синтеза и работы, что позволило оптимизировать условия реакции и предложить новые подходы к сохранению его активности в течение длительного времени», — отмечает Александр Гуда.
Итоги работы, выполненной при поддержке Министерства образования и науки РФ, опубликованы в журнале Journal of Colloid and Interface Science. Коллектив авторов из ИНХС был поддержан грантом Российского научного фонда, а исследования на Курчатовском источнике синхротронного излучения выполнялись в рамках проекта Минобрнауки (соглашение 075-15-2025-509).
Информация и изображение (схема) предоставлены Центром общественных коммуникаций Южного федерального университета
Источник фото (превью): ru.123rf.com
