Новый «железный век» в химической промышленности

Не секрет, что нефть и природный газ используются сегодня не только как топливо, но и в качестве сырья в самых разных отраслях промышленности. Органический синтез применяется в фармацевтике и нефтехимии, промышленном производстве. В сфере переработки нефти и природного газа не обойтись без катализаторов, но сегодня они неизменно содержат благородные металлы, такие как палладий, платина, иридий, родий, золото. Эти вещества встречаются в природе редко, и их запасы далеко не безграничны. Следовательно, их использование в катализаторах удорожает всё производство. Такие катализаторы, как правило, твёрдые материалы, которые ускоряют реакцию и позволяют более целенаправленно использовать ресурсы (например, электроэнергию), используются тем не менее в 90% процессов переработки нефти и природного газа, а также для нейтрализации автомобильных выхлопов.

 
Равномерное распределение наночастиц металла в катализаторе способствует повышению активности и селективности.  Катализатор до реакции (верхний рисунок) и после (нижний рисунок)

Сделать катализаторы более доступными стремится группа учёных из института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН под руководством доктора химических наук, профессора Леонида Кустова. «Было бы очень привлекательно исключить или хотя бы уменьшить содержание благородных металлов в катализаторах для получения ценных органических продуктов», –  подчеркнул он.

Главная задача учёных – разработать технологию производства более дешёвых катализаторов, заменив благородные металлы другими металлами, при этом, сохранив их функциональные свойства.

Основные характеристики катализатора – это активность (чем активнее, тем меньше его требуется), селективность (чем селективнее, тем меньше получается побочных продуктов). «Селективность очень важна, потому что если селективность катализатора низкая, часть сырья теряется: оно будет уходить в побочные продукты, которые в свою очередь потребуют переработки или утилизации», — пояснил Кустов.

Исследования ведутся учёными по нескольким направлениям. Во-первых, исследователи стараются изменить саму структуру металла в катализаторе: применять наночастицы металла, которые  куда активнее, чем более крупные частицы. «Мы применяем оригинальные подходы, например, излучение СВЧ. Дома у многих есть волновые печи, а мы используем их для получения наночастиц правильных размеров в катализаторах», — отметил Кустов.

Во-вторых, учёные стремятся применять комбинированные материалы (биметаллические системы), заменяя часть дорогого металла на более дешёвый и доступный.

«Представьте вишню. У нее «косточка» сделана из дешевого металла, а «кожица», или, скорее, «яичная скорлупа», из благородного». В таком варианте благородного металла нужно существенно меньше – всего 3-5% от количества, необходимого для традиционной системы. В таком случае, по словам Кустова, содержание благородного металла  можно снизить в 10-20 раз, при этом функциональные свойства катализатора останутся на прежнем уровне.

Учёные отрабатывают эти технологии на нескольких выбранных группах реакций, которые активно применяются в производстве.

Самая распространённая и востребованная группа – это реакции гидрирования, которые широко применяются в промышленности, нефтехимии, фармацевтике, производстве специальных каучуков. «Мы пытаемся заменить используемые сегодня металлы – палладий, родий и другие – на менее благородные, такие как медь, никель, кобальт, железо».

В процессах гидрирования хорошо работают наночастицы железа, по своим свойствам они не уступают палладию, а в некоторых случаях, например, при гидрировании каучуков, даже превосходят его. А ведь железо – это, в общем, самый дешёвый металл из всех известных человечеству. Похоже, мы возвращаемся в железный век, по крайней мере, в сфере гидрирования, и это даёт нам преимущества».

Кроме того, учёные тестируют катализаторы для реакций гидроаминирования, которые позволяют получить амины, применяемые в фармацевтике, а также для создания присадок для топлива и других полезных веществ. Эта реакция, впрочем, применяется у́же, чем гидрирование.

Третья группа реакций исследуется японскими специалистами. Это реакции кросс-сочетания. «В реакциях кросс-сочетания две органические молекулы, зачастую достаточно сложные, реагируют друг с другом, составляя третью, ещё более сложную молекулу. При этом в ходе реакции почти не образуется никаких отходов», — пояснил Кустов.

Этот тип реакций используется в фармацевтике и тонкой химии.

Сейчас учёные приступили ко второму этапу реализации проекта. По итогам первого этапа, самого напряжённого, по словам Кустова, подготовили статью «Selective oxidation of ethanol to acetaldehyde over Au–Cu catalysts prepared by a redox method», опубликованную в специализированном журнали Catalysis Today и подали несколько заявок на патенты, в том числе европейские, по технологии изготовления катализаторов, гидрирования полимеров и гидроаминирования. До конца года планируется ещё 3 публикации, кроме того, методы использования новых катализаторов в определённых реакциях тоже будут защищены патентами.

Проект "Разработка катализаторов, не содержащих благородных металлов, для синтеза ценных органических продуктов" поддержан ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы».

Источник иллюстраций: Elena A. Redina, Alexander A. Greish, Igor V. Mishin, Gennady I. Kapustin,Olga P. Tkachenko, Olga A. Kirichenko, Leonid M. Kustov, Selective oxidation of ethanol to acetaldehyde over Au–Cu catalysts prepared by a redox method, Catalysis Today 241 (2015) 246–254

 Наука и технологии РФ, 18.03.15 | ФЦП 2014-2020