Ученые из Российского университета дружбы народов предложили по-новому синтезировать катализаторы для переработки этилового спирта. Полученные материалы — перспективные катализаторы селективного превращения биоэтанола, что стало важным этапом разработки альтернативной технологии получения ценных продуктов химического синтеза на основе растительного сырья. Результаты исследования опубликованы в Catalysis Today.
Биоэтанол — этиловый спирт, который добывают из растительного сырья, — получают путем ферментации биомассы промышленных или сельскохозяйственных отходов. Его используют как более экологичное по сравнению с бензином топливо. Но это не единственный вариант — этанол можно переработать в ацетальдегид, диэтиловый эфир и другие востребованные в промышленности химические соединения. Чтобы запустить такие химические реакции, требуются высокоэффективные катализаторы. Однако существующие катализаторы содержат благородные металлы, и поэтому использовать их слишком дорого. Химики РУДН предложили новые катализаторы на основе алюминия и циркония, модифицированные медью.
«Лучшие из известных катализаторов для преобразований этанола основаны на оксидах, промотированных благородными металлами. Однако они достаточно дороги. Более доступный вариант — катализаторы с медью в качестве активной фазы, но пока среди них не найден оптимальный вариант. Требуются доработки, чтобы с помощью этих катализаторов обеспечить одновременно высокую конверсию и селективность реакции — то есть оставлять непереработанным как можно меньше этанола и при этом получать необходимые вещества, а не побочные продукты», — рассказала кандидат химических наук Анна Жукова, доцент кафедры физической и коллоидной химии РУДН.
Российские ученые объединили два подхода к повышению эффективности катализаторов для создания ацетальдегида. Во-первых, они соединили в нанокомпозитах оксиды нескольких металлов: алюминия, церия и циркония. Исследователи синтезировали пять типов порошков с разным соотношением оксидов. Причем одну серию из пяти типов соединений приготовили при сравнительно небольшой температуре в 180 °C, а вторую прогрели до 950 °C. Это позволило сформировать в материалах разные структуры. Прокаленные образцы отличались большим диаметром и объемом пор.
Вторая идея заключалась в добавлении меди. Все порошки пропитали водным раствором нитрата меди, просушили при комнатной температуре и подвергли воздействию потока водорода при температуре 400 °C. После этого готовые катализаторы проверили в реакции дегидрирования паров этанола. Их размещали тонким слоем на пористом фильтре, а затем подавали пары спирта в потоке гелия. Реакция проводилась при температурах от 240 до 360 °C.
Все нанокомпозиты показали каталитическую активность, но показатели конверсии и селективности отличались. При одной и той же температуре, но с разными катализаторами, выход ацетальдегида составлял от 32 до 95%, а доля переработанного этанола — от 17 до 57%. Больше всего целевого продукта удалось получить с помощью катализаторов с 5% оксида алюминия в составе.
«Образцы катализаторов на основе меди с 5% оксида алюминия демонстрировали самую высокую селективность во всем диапазоне температур. Мы установили, что смешанный состав оксидов создает условия для формирования на поверхности катализатора реакционных центров из ионов меди с разным зарядом. Лучший вариант — использовать в синтезе катализатора смесь оксидов с небольшим содержанием алюминия и прокаливать их при 950 °C», — пояснила Анна Жукова.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
