Химик РУДН создал многоразовые ванадиевые катализаторы на углеродном каркасе

Комплексы с металлом ванадием используют в химической промышленности как катализаторы, например, для производства серной или адипиновой кислоты. Ванадиевые катализаторы дают хороший выход конечного продукта при нагревании, но после реакции их невозможно отделить от других реагентов, поэтому использовать катализатор повторно нельзя. Химик РУДН совместно с коллегами из Португалии получил два ванадиевых катализатора и закрепил их на углеродных нанокаркасах. Это повысило эффективность катализаторов и дало возможность использовать их повторно почти без потери качества. К тому же новые катализаторы позволяют проводить реакцию в более «зеленых» условиях — с использованием микроволнового излучения вместо обычного нагревания.

«Углеродные материалы как каркас дает катализаторам дополнительные преимущества, благодаря их текстуре и химическому составу поверхности, которые можно „настраивать“ для конкретного применения», — Армандо Помбейру, профессор РУДН.

Химики получили два комплекса с оксидом и диоксидом ванадия из арилгидразона. Их структуру исследовали с помощью элементного анализа, Фурье-спектроскопии, ядерного магнитного резонанса и спектрометрии. Каталитические свойства соединений оценили в реакции окисления циклогесана. Затем химики РУДН закрепили ванадиевые комплексы на углеродных каркасах из активированного угля и карбоновых нанотрубок и вновь исследовали каталитическую активность. Реакцию проводили в мягких условиях в растворе ацетонитрила, в качестве окислителя использовали 70% раствор трет-бутилгидропероксид. Для нагревания реагентов использовали микроволновое излучение — впервые для такого типа реакций. На выходе реакции получалась смесь циклогесанола и циклогегсанона — промежуточных продуктов для получения адипиновой кислоты.

Эффективность катализаторов, закрепленных на углероде, оказалась в 1,5–2 раза выше, чем у «свободных». При этом катализаторы с углеродным каркасом можно использовать несколько раз. Чтобы отделить катализатор от других веществ, реакционную смесь достаточно отфильтровать, промыть и высушить. После этого катализатор вновь готов к использованию. Через четыре реакционных цикла эффективность снизилась лишь на 30%.

«Иммобилизация комплексов с оксидом и диоксидом ванадия повысила эффективность катализаторов и позволила повторно использовать их в течение четырех последовательных циклов, хотя и с некоторой потерей активности. Это было невозможно для однородных ванадиевых комплексов. Мы надеемся, что эта работа откроет множество применений для новых иммобилизованных комплексов ванадия и других металлов для окисления различных алканов (кроме циклогексана) и других каталитических реакций с использованием микроволнового облучения», — Армандо Помбейру, профессор РУДН.

Результаты опубликованы в Nanomaterials.

himiya_pombeyru_vanadiy_illyustr_2021-09-06.png