Ученые химфака ТГУ создали катализатор, вдвое увеличивающий выход молочной кислоты из глицерина

Молочная кислота широко применяется в пищевой, фармацевтической и химической промышленности, а также в производстве биоразлагаемых полимеров, в том числе медицинских имплантов и расширителей сосудов. Глицерин, используемый в качестве сырья, является дешёвым отходом производства биодизеля.

Команда под руководством доктора химических наук, профессора, заведующей кафедрой физической и коллоидной химии ХФ ТГУ Ольги Водянкиной работала над целенаправленным улучшением компонентов катализатора. Ученые оптимизировали его состав, отвечающий за первую стадию — окисление глицерина, и «настроили» пористый носитель, с участием которого реализуются остальные стадии каскадного превращения промежуточных продуктов в МК.

«Создание катализаторов — это одна из самых интересных и востребованных областей современной химии. Подходы к проектированию каталитических композиций могут быть очень разнообразными. Мы применили «сборку» из двух разных по природе компонентов — биметаллических наночастиц и металлорганического каркаса с равномерно распределенными кислотными центрами, присутствие которых равнозначно необходимо в составе катализатора. Более того, нам удалось согласовать скорости отдельных стадий сложного каталитического процесса для достижения результата» — рассказывает Ольга Водянкина.

В основе разработки — принцип «сборки» из двух компонентов разной природы: биметаллических наночастиц и металлорганического каркаса с равномерно распределёнными кислотными центрами. Учёным удалось согласовать скорости отдельных стадий сложного каталитического процесса и добиться значительного повышения эффективности.

Вместо палладия, использовавшегося в более ранних версиях катализатора, исследователи применили наночастицы платины с добавлением висмута в оптимальном соотношении 9:1. Это позволило направить реакцию по нужному пути — к образованию дигидроксиацетона, промежуточного звена на пути к молочной кислоте, минуя образование побочных продуктов. Сами наночастицы, полученные методом лазерной абляции, имеют уникальную структуру: платиновое ядро и оболочку, обогащённую оксидами висмута.

Ключевую роль сыграла и модификация носителя — металлорганического каркаса UiO-66, который напоминает пористую губку из неорганических узлов (кислородсодержащих кластеров циркония) и органических молекул-линкеров. Частично заменив атомы циркония в узлах каркаса на титан, химики усилили кислотные центры, отвечающие за превращение промежуточных продуктов в молочную кислоту.

Новый катализатор обеспечил конверсию глицерина на уровне 55%, а селективность по молочной кислоте достигла 75%. Это означает, что выход целевого продукта вырос более чем в два раза по сравнению с палладиевым предшественником.

«Мы предложили принципиальный путь к созданию эффективной каталитической системы, способной реализовать окислительное превращение глицерина в молочную кислоту. Дальнейшее повышение эффективности возможно путем оптимизации условий каталитического процесса и создания перспективного для промышленности катализатора в виде гранул или таблеток. Это будут уже прикладные исследования, которые, как правило, проводятся при поддержке заинтересованных компаний реального сектора экономики» — добавляет Ольга Водянкина.

Разработанный катализатор демонстрирует стабильность: он может быть использован не менее пяти раз без потери активности, а драгоценные металлы практически не вымываются в процессе реакции.

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (соглашение № 19-73-30026-П по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными).

Работы по лазерному синтезу наночастиц проводились в лаборатории новых материалов и перспективных технологий СФТИ ТГУ под руководством ведущего специалиста по лазерным технологиям, доцента Валерия Светличного.