Химики РУДН создали катализаторы для дешевого и эффективного синтеза пропилена и этилена

Пропилен используют в производстве пленок, труб, пищевой упаковки, изоляционных материалов и мешков, а этилен — важный промежуточный продукт в химической промышленности. Их производят, в основном, из сланцевого газа, но химики ищут способы синтезировать их из пропана. Этот источник должен давать больше выхода, однако для этого нужны катализаторы, которые могут быть нестабильными или слишком дорогими, сложными в производстве. Некоторые из них создают токсичные побочные продукты реакции, другим нужна высокая температура для работы. Цеолиты — это большая группа алюмосиликатов кальция. Они могут запустить превращение пропана в пропилен и этанола в этилен по пути, который отличается от реакций с остальными катализаторами. Это позволяет проводить реакцию при более низких температурах, что делает процесс удобнее и дешевле. Кроме того, их активность можно регулировать в зависимости от температуры, состава материала, метода модификации и других условий. Катализаторы на основе цеолита HZSM-5 могут напрямую «отбирать» водород у пропана, чтобы сделать пропилен.

«Мы исследовали, как особенности структуры и текстуры цеолитов HZSM-5 и их композитов с наночастицами минерала анатаза влияют на их каталитическую активность в реакциях с пропаном при высокой температуре и с жидким этанолом при средней температуре», — кандидат химических наук Екатерина Маркова из РУДН.

Химики РУДН создали, протестировали и охарактеризовали различные модификации цеолита HZSM-5, чтобы выбрать лучшие варианты для промышленного производства. Минерал анатаз — одна из природных модификаций двуокиси титана, который часто встречается в месторождениях хрусталя. Химики впервые получили катализаторы из цеолитов HZSM-5 и наночастиц анатаза при помощи гидротермального синтеза и золь-гель технологии. В результате в цеолитах появились новые функциональные группы, изменилась текстура поверхности частиц и размер пор, что повлияло и на их активность. Характеристики этих катализаторов изучили с разных сторон, а затем опробовали их действие на этанол и пропан.

Если для первоначальной формы цеолитов HZSM-5 и пропана максимальная селективность составляла 75% при температуре 650 °С, то с наночастицами анатаза селективность выросла до 85%. В реакции с этанолом цеолиты с наночастицами помогли снизить температуру реакции и довести выработку до 94–100%. При этом катализаторы, которые получали по золь-гелевой технологии, оказались активнее в реакциях с пропаном, а результаты гидротермального синтеза лучше подошли для работы с этанолом.

«Добавление наночастиц анатаза, количество и объем пор разного размера, содержание гидроксильных групп и другие характеристики влияют на работу катализаторов. Это позволит нам управлять ходом реакций, механизмы которых мы также изучили. Наши катализаторы не менее, а то и более активны, чем коммерчески доступные аналоги, но их легче изготовить. Кроме того, они стоят дешевле и позволяют более точно управлять процессом производства этилена и пропилена», — кандидат химических наук Анна Жукова, доцент кафедры физической и коллоидной химии РУДН.

Результаты опубликованы в журнале Catalysis Today.