Катализатор из кремнезема и ниобия ускорил реакцию нефтехимии в 24 раза

Катализатор из кремнезема и ниобия ускорил реакцию нефтехимии в 24 раза

Livia Melo Carneiro/ResearchGate/Indicator.Ru

Реакции алкилирования используют в нефтехимии для получения высокооктановых компонентов автомобильного бензина. Химик РУДН нашел способ ускорить аликлирование в 24 раза — для этого он создал катализатор на основе кремнезема и ниобия. Результаты исследования опубликованы в журнале Molecular Catalysis.

Процесс алкилирования – это замещение атома водорода в органическом соединении на другие вещества, алкилирующие агенты. Его используют в химической и нефтехимической промышленности, например, для получения высокооктановых компонентов автомобильного бензина. Чтобы алкилирование проходило быстро и эффективно, нужны катализаторы — например, минеральные кислоты, и минералы цеолиты. Производство минеральных кислот дорогостоящее и небезопасное с точки зрения экологии. Цеолиты дешевы в производстве, но их микропористая структура накладывает ограничения на размер молекул, с которыми может происходить взаимодействие. Химик РУДН создал катализатор, который лишен этих недостатков и позволяет ускорить реакцию алкилирования. Для этого они использовали пористую форму кремнезема (SBA-15) и ниобий.

«Материалы SBA-15 актуальны в качестве каталитического носителя из-за высокой площади поверхности и размера пор. Мы решили оценить свойства нескольких катализаторов на основе SBA-15 и оксида ниобия, полученных механохимическим способом с разным содержанием металла», — Рафаэль Луке, PhD, руководитель научного центра «Молекулярный дизайн и синтез инновационных соединений для медицины» РУДН. Химики обратили внимание, что соединения ниобия проявляют окислительно-восстановительные и кислотные свойства, важные для роли катализатора, и решили использовать ниобий для реакций алкилирования. Для этого химики нанесли на минерал-«носитель» наночастицы оксида ниобия. Содержание металла в полученном материале варьировалось от 0,5 до 1%. Перед этим химики измельчили ниобий механохимическим способом — с помощью «мельницы» — до нескольких нанометров. Размер частиц металла контролировали с помощью просвечивающего электронного микроскопа, а с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии проследили, что частицы распределились по поверхности минерала равномерно. Чтобы оценить каталитические способности материала, химики провели реакцию алкилирования толуола бензиловым спиртом и бензилхлоридом. Бензиловый спирт и бензилхлорид выступали в качестве алкилирующих агентов. Химики установили, что включение частиц ниобия дает положительный эффект — время реакции сократилось с 4 часов до 10 минут. При этом катализатор с меньшим (0,5%) содержанием ниобия оказался более эффективным. Химики связывают это с применением механохимического метода — более высокое содержание ниобия увеличивало и размер итоговых частиц. А это снижало каталитическую активность материала. «Нам удалось разработать катализатор, существенно увеличивающий скорость реакции алкилирования и при этом свободный от ограничений, имеющихся у минеральных кислот и цеолитов» — Рафаэль Луке, PhD, руководитель научного центра «Молекулярный дизайн и синтез инновационных соединений для медицины» РУДН. Evaluation of acid properties of mechanochemically synthesized supported niobium oxide catalysts in the alkylation of toluene,