Исследователи создали палладиевый катализатор на угле для производства лекарств, пестицидов и пластмасс, который очень экономно расходует драгоценные металлы.
В новом катализаторе палладий наносится на частицы углерода, изготовленные из отходов переработки биомассы. Такая форма переработанного углерода почти не имеет пор, в которых может потеряться активный металл, поэтому достаточно использовать лишь одну сотую обычного количества палладия, применяемого в промышленных катализаторах.
Исследование опубликовано в ChemSusChem, в команду исследователей входят сотрудники Института науки и технологий «Сколково», Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН и Южно-Российского государственного политехнического университета имени М. И. Платова.
Катализаторы незаменимы для производства топлива, полимеров и лекарств. Многие катализаторы изготавливаются путём нанесения драгоценных металлов — платины, палладия, родия и т. д. — на материал-носитель, такой как активированный уголь.
Однако недавние исследования показали, что до 98% драгоценного металла в таких катализаторах может оказаться в микропорах углеродного носителя, что делает металл недоступным для реагентов и практически бесполезным для катализа.
Как сделать каталитические частицы более эффективными и избавиться от «мёртвого» металла? Решение заключается в использовании альтернативных углеродных материалов в качестве носителей, которые не имели бы микропор, но при этом обладали бы большой площадью поверхности и способностью удерживать атомы и наночастицы драгоценных металлов на своей поверхности. Такие углеродные материалы дороги и сложны в производстве.
Исследователи из Сколтеха и их коллеги разработали новый материал, состоящий из углерода и азота, который имеет очень мало микропор, удерживающих «мёртвый» металл. Благодаря высокому содержанию азота новый материал хорошо удерживает атомы и наночастицы активного металла на своей поверхности.
Палладиевый катализатор, изготовленный командой на основе нового углеродного носителя, оказался очень низким по содержанию «мёртвого» металла и чрезвычайно активным в промышленно значимых реакциях кросс-сочетания и гидрирования, необходимых для производства лекарств, пестицидов и мономеров — ключевых компонентов для изготовления пластмасс.
Внедрение нового катализатора позволит не только сократить расходы на синтез многих промышленных продуктов. Благодаря значительно более низкому общему содержанию палладия катализатор вызовет гораздо меньшее загрязнение палладием, что особенно важно для фармацевтики, поскольку этот металл токсичен.
Интересно, что сырьём для изготовления уникального углеродного носителя, лежащего в основе нового катализатора, являются органические отходы, называемые гуминовыми веществами. Это побочный продукт переработки растительной биомассы в химической промышленности, который обладает всеми необходимыми свойствами и достаточно высоким содержанием углерода, что позволило исследователям разработать простой способ синтеза своего обогащённого азотом материала-носителя.
Полученный катализатор превзошёл большинство ранее известных палладиевых катализаторов на угле, изготовленных из отходов переработки биомассы, в реакциях, рассмотренных исследователями.
Исследование было проведено исследователями из Сколтеха, Южно-Российского государственного политехнического университета имени М. И. Платова, Университета МИСИС, Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН и Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН.
Предоставлено Институтом науки и технологий «Сколково».