|
Ученые химфака ТГУ создали катализатор, вдвое увеличивающий выход молочной кислоты из глицерина
Коллектив лаборатории каталитических исследований ХФ ТГУ разработал новый гибридный катализатор, позволяющий получать молочную кислоту из глицерина с эффективностью, вдвое превышающей показатели предшествующих разработок. Результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Journal of Catalysis (Q1) издательства Elsevier.
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.
Лекция И.А. Курзиной: Биоматериаловедение. Керамические материалы
18 октября в 16:35 в аудитории 108 (6 корпус ТГУ) состоится лекция на тему «Биоматериаловедение. Керамические материалы: состав, структура, получение».
Студентов приглашают превратить научные идеи в решения для химической промышленности
С 28 сентября по 18 октября образовательные организации высшего образования– участники федерального проекта «Опережающая подготовка и переподготовка квалифицированных кадров по направлению новых материалов и химии» и их студенты смогут представить свои выпускные квалификационные и научно-исследовательские работы на конкурсе «Отраслевой кейс».