Cозданы недорогие катализаторы для переработки биоэтанола

Химики РУДН предложили по-новому синтезировать катализаторы для переработки этилового спирта. Полученные материалы являются перспективными катализаторами селективного превращения биоэтанола, что является важным этапом разработки альтернативной технологии получения ценных продуктов химического синтеза на основе растительного сырья. Результаты исследования опубликованы в Catalysis Today.

Биоэтанол — этиловый спирт, который получают из растительного сырья – путем ферментации биомассы промышленных или сельскохозяйственных отходов. Его используют как более экологичное по сравнению с бензином топливо. Но это не единственный вариант — этанол можно переработать в ацетальдегид, диэтиловый эфир и другие востребованные в промышленности химические соединения. Чтобы запустить такие химические реакции, требуются высокоэффективные катализаторы. Однако существующие катализаторы содержат благородные металлы, и поэтому использовать их слишком дорого. Химики предложили новые катализаторы на основе алюминия и циркония, модифицированные медью.

«Лучшие из известных катализаторов для преобразований этанола основаны на оксидах, промотированными благородными металлами. Однако они достаточно дороги. Более доступный вариант — катализаторы с медью в качестве активной фазы, но пока среди них не найден оптимальный вариант. Требуются доработки, чтобы с помощью этих катализаторов обеспечить одновременно высокую конверсию и селективность реакции — то есть оставлять непереработанным как можно меньше этанола и при этом получать необходимые вещества, а не побочные продукты», — кандидат химических наук Анна Жукова, доцент кафедры физической и коллоидной химии РУДН.

Исследователи объединили два подхода к повышению эффективности катализаторов для создания ацетальдегида. Во-первых, они соединили в нанокомпозитах оксиды нескольких металлов: алюминия, церия и циркония. Исследователи синтезировали пять типов порошков с разным соотношением оксидов. Причем одну серию из пяти типов соединений приготовили при сравнительно небольшой температуре в 180°C, а вторую прогрели до 950°C. Это позволило сформировать в материалах разные структуры. Прокаленные образцы отличались большим диаметром и объемом пор.

Вторая идея заключалась в добавлении меди. Все порошки пропитали водным раствором нитрата меди, просушили при комнатной температуре и подвергли воздействию потока водорода при температуре 400°C. После этого готовые катализаторы проверили в реакции дегидрирования паров этанола. Их размещали тонким слоем на пористом фильтре, а затем подавали пары спирта в потоке гелия. Реакция проводилась при температурах от 240°C до 360°C.

Все нанокомпозиты показали каталитическую активность, но показатели конверсии и селективности отличались. При одной и той же температуре, но с разными катализаторами, выход ацетальдегида составлял от 32 до 95%, а доля переработанного этанола — от 17 до 57%. Больше всего целевого продукта удалось получить с помощью катализаторов с 5% оксида алюминия в составе.

«Образцы катализаторов на основе меди с 5% оксида алюминия демонстрировали самую высокую селективность во всем диапазоне температур. Мы установили, что смешанный состав оксидов создает условия для формирования на поверхности катализатора реакционных центров из ионов меди с разным зарядом. Лучший вариант — использовать в синтезе катализатора смесь оксидов с небольшим содержанием алюминия и прокаливать их при 950°C», — говорит кандидат химических наук Анна Жукова, доцент кафедры физической и коллоидной химии РУДН.