Химики РУДН создали нанокатализаторы для непрерывного синтеза биотоплива

Приглашенный сотрудник РУДН Рафаэль Луке вместе с китайскими и испанскими коллегами работает над синтезом гамма-валеролактона (ГВЛ). Эту бесцветную жидкость с запахом свежескошенной травы получают из отходов пищевых производств или из растений, оставшихся на полях после уборки урожая. ГВЛ можно использовать как безопасный растворитель или добавку к бензину, а можно перегонять в углеводороды — «зеленое» топливо для двигателей внутреннего сгорания.

Промышленное использование ГВЛ тормозят две основные проблемы. Во-первых, его производство требует дорогостоящих катализаторов. Сейчас на рынке представлены вещества на основе благородных металлов, таких как рутений. Во-вторых, существующие катализаторы не подходят для поддержания длительной реакции.

Авторы работы предложили решения обеих проблем. Они синтезировали четыре новых катализатора на основе кристаллов диоксида титана: с 1, 2, 3 и 5 процентами наночастиц рутения (в существующих катализаторах содержится 5 и более процентов ценного металла). Затем в серии испытаний химики стали искать среди катализаторов не просто самый активный, но и самый стабильный, способный поддерживать реакцию длительное время.

Исследователи запускали гидрирование левулиновой кислоты или ее производного метил левулината (именно при этих двух реакциях синтезируется ГВЛ) в присутствии разных катализаторов, как новых на основе диоксида титана, так и известных ранее. Отдельно испытывали каталитическую активность чистого диоксида титана. Каждое вещество проверяли во всех возможных условиях. Ученые меняли температуру, количество катализатора, концентрацию исходного вещества в растворителе, скорость подачи потока в реактор.

Выяснилось, что чистый диоксид титана не имеет каталитической активности. Только в присутствии наночастиц рутения из исходных веществ образовывался ГВЛ. Все синтезированные учеными катализаторы на основе диоксида титана оказались активными, но наибольшую эффективность показал все же вариант с самым высоким — 5% — содержанием наночастиц рутения. В его присутствии реакция протекала в 98% исходного вещества, причем 97% шло на образование целевого продукта — ГВЛ.

Показатели ранее известных катализаторов, несмотря на такое же содержание рутения в их составе, были заметно ниже. Например, с рутениевым катализатором на основе углерода реакция проходила в 83% вещества, а на образование ГВЛ шли 52%. Кроме того, эти катализаторы применяются только при получении ГВЛ из левулиновой кислоты, но не из ее производных.

Еще более важной находкой оказалась высокая устойчивость новых катализаторов. В то время как другие катализаторы уже через два часа после начала реакции теряли активность, вещества на основе диоксида титана даже улучшали показатели. Катализатор с 5% наночастиц рутения вновь оказался лучше остальных: в его присутствии ГВЛ выделялся непрерывно более 24 часов.

«Традиционный путь синтеза ГВЛ — непродолжительные реакции в реакторах периодического действия, — говорит Рафаэль Луке, профессор Центра молекулярного дизайна и синтеза инновационных соединений для медицины, приглашенный сотрудник РУДН, — потому катализаторов для непрерывного производства ГВЛ не было. Нам удалось создать относительно дешевую, высокопродуктивную и очень стабильную каталитическую систему на основе кристаллов диоксида титана. Потенциал новых катализаторов не исчерпывается синтезом ГВЛ, мы планируем применить их в других исследованиях».

В исследовании участвовали ученые из Университета легкой промышленности Чжэнчжоу (Китай), Университета Кордовы и Института катализа и нефтехимии (Испания). Работа была проведена при поддержке программы «5 –100».

Результаты исследования опубликованы в журнале ChemSusChem