Российские ученые предложили экономный с точки зрения расхода драгоценного металла катализатор из углерода и палладия, необходимый для производства лекарств, пестицидов и пластика. Углеродную основу нового катализатора изготовили из отходов переработки растительного сырья. Благодаря отсутствию в этой основе пор, снижающих активность палладия, расход этого дорогостоящего металла снижается примерно в 100 раз по сравнению с аналогичными промышленными катализаторами.
Катализаторы необходимы в современном производстве топлив, полимеров, лекарств. Многие катализаторы делают из драгоценных металлов (палладия, родия, платины), которые наносят на специальный носитель, например, активированный уголь. Огромная часть драгоценного металла в этих катализаторах (до 98%) — это мертвый груз, застрявший в микропорах металл, который недоступен химическим реагентам и не участвует в катализе.
Чтобы оживить «мертвый» металл и заставить его работать, нужно использовать в качестве носителей специальные углеродные материалы без микропор, но с большой внешней поверхностью и повышенной способностью удерживать на ней наночастицы и отдельные атомы металла. Но такие углеродные материалы дороги и сложны в производстве.
Сотрудники Сколтеха с коллегами из ИОХ им. Н. Д. Зелинского РАН, Южно-Российского государственного политехнического университета и других российских научных организаций разработали новый материал, состоящий из углерода и азота, в котором очень мало микропор, «убивающих» активный металл. Этот материал, благодаря высокому содержанию азота, позволяет прочно удерживать на поверхности активные наночастицы и атомы металла. Изготовленный на основе этого материала палладиевый катализатор содержит очень мало «мертвого» металла и демонстрирует рекордную активность в промышленно важных реакциях кросс-сочетания и гидрирования, используемых для производства лекарств, пестицидов и мономеров — важнейших компонентов для изготовления пластмасс.
Выше представлен окрашенный снимок с просвечивающего электронного микроскопа. На бирюзовом фоне (углерод) видны белые крапинки — отдельные атомы и наночастицы палладия. В эффективном катализаторе (слева) частицы палладия хорошо различимы на поверхности, а в неэффективном (справа) — металл заперт в микропорах углерода и малодоступен для участия в реакциях.
Применение нового катализатора может позволить не только удешевить производство многих синтетических веществ, но и уменьшить их загрязнение токсичным палладием, что особенно важно для фармацевтики, сообщили в пресс-службе Сколтеха.
Сырьем для производства уникального углеродного материала, основы нового катализатора, послужили отходы — так называемые гумины, которые в больших количествах образуются на химических заводах по производству фурфурола, древесного спирта и других веществ из растительного сырья. Эти отходы, благодаря высокому содержанию углерода и специфическим свойствам, позволили разработать простой путь получения уникального углеродного материала с большим содержанием азота. Эффективность нового катализатора в исследованных реакциях превзошла большинство ранее известных катализаторов Pd/C, производимых из отходов переработки растительного сырья.
Помимо Сколтеха, Южно-Российского государственного политехнического университета, и ИОХ РАН, в работе приняли участие ученые из Института катализа СО РАН и МИСиС.
Исследование опубликовано в журнале ChemSusChem.
Сколтех — негосударственный международный университет, который готовит новое поколение лидеров в области технологий, науки и бизнеса. Функционируя как фабрика технологий, институт проводит передовые исследования по приоритетным направлениям научно-технологической повестки, а также содействует внедрению технологий и развитию предпринимательства. В институте работают центры по направлениям искусственного интеллекта, наук о жизни и агротехнологий, современной инженерии и перспективных материалов, энергоэффективности и энергоперехода, телекоммуникаций и фотоники, перспективных исследований.
Основанный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, Сколтех дважды вошел в топ-100 лучших молодых университетов мира престижного рейтинга Nature Index, а в рейтинге Research.com занимает второе место в общем зачёте и первое по генетике среди российских университетов. По версии SCImago Institutions Rankings, Сколтех — № 1 в России в области компьютерных наук.
