Специалисты ФИЦ «Институт катализа СО РАН» и Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» с помощью синхротронного излучения и машинного обучения исследовали, как носитель влияет на работу ванадиевых катализаторов при превращении этанола в ацетальдегид. Методы позволили проследить, что происходит с катализатором непосредственно во время реакции. Такие данные в перспективе помогут эффективнее оптимизировать каталитические процессы. Об этом рассказал в рамках международной конференции «Синхротронные исследования: Наука, Знания, Инновации, Будущее» (SKIF-2026) младший научный сотрудник Отдела синхротронных исследований функциональных материалов ЦКП «СКИФ» Егор Айдаков.
Монослойные ванадиевые катализаторы применяют в получении ацетальдегида из этанола. Мировой объем производства ацетальдегида составляет около 1,25–1,65 млн тонн в год. Чтобы развивать выпуск многотоннажных химических продуктов с добавленной стоимостью (особенно «зеленых»), необходимо в том числе исследовать и улучшать каталитическую составляющую процессов.
Свойства нанесенных катализаторов, к которым относятся монослойные ванадиевые системы, зависят от электронного взаимодействия между носителем и активной фазой. Перенос заряда может изменять степень окисления, а значит, реакционную способность активных центров — это влияет на параметры реакции.
Работа специалистов Института катализа СО РАН и ЦКП «СКИФ» посвящена двум катализаторам — оксиду ванадия на основе оксида титана (V₂O₅/TiO₂) и оксида церия (V₂O₅/CeO₂). Они выясняли, как взаимодействие активного компонента с носителем влияет на окислительно-восстановительные свойства катализатора, активность и состав продуктов реакции.
Эксперименты проводили при атмосферном давлении в диапазоне температур 50–300 °С. Катализаторы исследовали как в потоке этанола, так и в смеси этанола с кислородом. В качестве одного из основных инструментов был выбран метод рентгеновской спектроскопии поглощения в области XANES (X-ray Absorption Near-Edge Structure — прим.). XANES-спектроскопия в режиме operando позволила отслеживать химическое состояние ванадия, церия или титана в условиях реакции. Инфракрасная спектроскопия FTIR (Fourier-Transform Infrared Spectroscopy — прим.) использовалась для анализа продуктов реакции. Для количественного анализа спектров рентгеновского поглощения применили подход на основе машинного обучения, разработанный в Международном исследовательском институте интеллектуальных материалов Южного федерально университета (МИИИМ ЮФУ, Ростов-на-Дону).
«Важно было проследить не только за продуктами реакции, но и за тем, что происходит с атомами катализатора в тех же условиях. Измерение XANES в режиме operando в сочетании с количественным анализом спектров позволили сопоставить изменение химического состояния ванадия и носителя с каталитическим поведением системы», — рассказал младший научный сотрудник Отдела синхротронных исследований функциональных материалов ЦКП «СКИФ» Егор Айдаков.
Оказалось, что два носителя по-разному влияют на ванадий. На оксиде титана ванадий при взаимодействии с этанолом восстанавливался сильнее. В катализаторе на основе оксида церия изменения затрагивали не только ванадий, но и сам носитель: часть церия также участвовала в окислительно-восстановительных процессах. Это показывает, что носитель может активно влиять на химические превращения, происходящие на поверхности катализатора. Различия проявились и в составе продуктов. Для катализатора на основе оксида титана в присутствии кислорода наряду с ацетальдегидом образовывались уксусная кислота, монооксид углерода и углекислый газ. В случае оксида церия уксусную кислоту не обнаружили. Таким образом, замена носителя меняет не только состояние активного компонента, но и направление протекания реакции.
По словам Егора Айдакова, сопоставление спектроскопических данных с составом продуктов помогает связать изменения состояний атомов с тем, как работает катализатор. Эти результаты могут быть полезны при дальнейшем подборе состава катализаторов и уточнении механизмов реакции.
Такие эксперименты помогают лучше понять, почему внешне похожие катализаторы могут работать по-разному. Возможность наблюдать материал непосредственно в условиях реакции дает более полную картину происходящих процессов и может помочь при дальнейшем подборе состава катализаторов для селективного превращения этанола.
О конференции
Международная конференция «Синхротронные исследования: Наука, Знания, Инновации, Будущее» (SKIF-2026) проходит с 18 по 23 октября 2026 года при финансовой и организационной поддержке Российского научного фонда и приурочена к открытию Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»).
Организаторы конференции: Институт катализа СО РАН, ЦКП «СКИФ», Институт ядерной физики СО РАН, Министерство науки и высшего образования РФ, НИЦ «Курчатовский институт», Правительство Новосибирской области, Сибирское отделение РАН.
Источник информации: ФИЦ «Институт катализа СО РАН»
Источник фото: 123rf.com
