Ученые ТПУ выяснили, как наиболее эффективно использовать катализаторы на основе золота

Напомним, ученые Томского политехнического университета и их зарубежные коллеги из Университета Милана (Италия), Национального автономного университета Мексики, Института катализа и нефтехимии Мадрида (Испания), Университета Порто (Португалия) разрабатывают наноразмерные золотые катализаторы, которые помогут использовать отходы производства биотехнологических процессов. Благодаря катализаторам из них можно будет получать ценные химические продукты для разных отраслей промышленности.

Статья «Зеленое» окисление н-октанола на нанесенных наноразмерных золотых катализаторах: Формирование активных центров золота под совместным влиянием его содержания, природы модифицирующей добавки и атмосферы предварительной обработки» посвящена комплексному сравнительному исследованию физико-химических и каталитических свойств золотосодержащих катализаторов в процессе жидкофазного окисления н-октанола. Н-октанол — это представитель низко реакционноспособных алифатических или так называемых «жирных» спиртов. Содержится, например, в эфирных маслах цитрусовых.

«Жидкие спирты образуются в больших количествах при переработке биомассы. Сейчас это очень большая отрасль экономики и в России, и в зарубежных странах, так как селективное окисление этих соединений может позволить использовать их в качестве нового ресурса для производства соответствующих альдегидов, кетонов, эфиров и жирных кислот, которые являются ценными промежуточными продуктами для фармацевтической, косметической и агрохимической промышленности, производства биотоплива.

Н-октанол для исследования был выбран, во-первых, потому, что это очень трудно окисляемый спирт, который используется для модельной реакции жидкофазного окисления, а, во-вторых, он в больших количествах получается, например, при переработке кожуры цитрусовых. Это очень актуально для наших коллег из Латинской Америки», — говорит один из авторов статьи, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Алексей Пестряков.

Переработка возобновляемых ресурсов является очень актуальным направлением. При этом существуют альтернативные способы работы с отходами без использования катализаторов, однако они предполагают использование серной кислоты, соединений шестивалентного хрома и так далее. То есть условия, далекие от требований «зеленой химии» — одного из приоритетных направлений развития химических технологий.

«Оценка каталитических свойств в рамках нашего исследования проводилась в условиях, близких к требованиям "зеленой химии": при низкой температуре и атмосферном давлении, без использования оснований и стехиометрических окислителей, приводящих к образованию большого количества токсичных отходов», — рассказывает ученый.

Добавим, уникальность наноразмерных золотосодержащих катализаторов в том, что они суперактивные. И способны ускорять химические процессы при низких температурах, например, меньше 150 градусов Цельсия. Однако для наиболее эффективного использования катализаторов ученым необходимо было выявить природу активного центра данных систем — один из ключевых аспектов гетерогенного катализа. Точное знание природы активных центров, по словам ученых, позволяет проводить направленный синтез высокоэффективных катализаторов с заданными свойствами.

«В катализе для того, чтобы молекула исходного вещества превратилась в продукт, она должна адсорбироваться, "сесть" на катализатор и претерпеть там определенные химические превращения. При этом "садится" она не на любую точку катализатора, так как у него сложная структура — наночастицы золота, нанесенные, в нашем случае, на оксид титана, модифицированный оксидами церия и лантана.

И если мы будем знать, что является активным центром, мы сможем подобрать состав и условия, чтобы добиться максимальной доли активных состояний и наиболее эффективно использовать катализатор»,
— поясняет Алексей Пестряков.

Отметим, для выявления активного центра ученые проводили ряд каталитических экспериментов и спектральных исследований как в ТПУ, так и в Испании и Мексике, изучали физико-химические и структурные свойства катализаторов, выявляли все возможные закономерности. На основе всех полученных данных были сделаны выводы о том, что является активным центром.

«Золото на поверхности катализатора имеет три состояния: металл — незаряженное состояние, однозарядные ионы и трехзарядные ионы. По итогам исследования были выявлены закономерности, что наиболее активны те системы, где максимальная доля однозарядных ионов золота. Именно их мы и рассматривали как активные центры. Кроме того, важную роль играют и носитель с добавками. Этому была посвящена отдельная область исследования. В качестве добавок мы использовали оксиды церия и лантана. Более эффективным себя показал лантан.

Хочу отметить, что рецензенты высокорейтингового журнала ChemCatChem подтвердили ценность нашего исследования, включив его в топ-5 % всех статей, которые публикуются в издании. И иллюстрация-анонс к нашей статье будет помещена на обложку свежего номера», — подытожил ученый.

Источник: Служба новостей ТПУ