Ученые разработали высокоэффективный катализатор для переработки древесных отходов в топливо

Ученые с помощью новой технологии разработали катализатор на основе металла рутения, который позволяет эффективно перерабатывать растительные отходы в экологичное топливо. С помощью предложенного подхода удалось получить кластеры рутения размером меньше нанометра, равномерно распределенные в пористом материале, и тем самым повысить его активность. Более того, химики нашли способ восстанавливать утратившие активность катализаторы, что уменьшит затраты на их производство. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Colloid and Interface Science.

Чтобы сократить использование горючих ископаемых ресурсов — угля, нефти и газа, — ученые разрабатывают технологии производства экологически чистого топлива из природного сырья, например, отходов деревообработки. Из них сначала получают бионефть — сложную смесь органических соединений, — которую дополнительно химически облагораживают, чтобы превратить в качественное топливо. Для этого проводят гидроочистку — с помощью водорода и катализаторов из смеси удаляют лишний кислород.

Наиболее часто в качестве катализаторов таких процессов используют наноразмерный рутений, нанесенный на пористый материал-носитель. Такие системы очень активны, однако в процессе их приготовления металлические наночастицы часто слипаются и оседают на внешней поверхности носителя, из-за чего быстро теряют эффективность. Поэтому исследователи ищут новые способы создания активных катализаторов с рутением.

Ученые из Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН (Москва), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) разработали простой метод получения рутениевых катализаторов.

Традиционно пористый материал-носитель пропитывают раствором соли металла, и после удаления жидкости наноразмерные частицы рутения склонны слипаться. Чтобы избежать этого, авторы предложили механохимический подход, при котором исходные реагенты смешивают напрямую без использования растворителей. Для этого потребовалось применить достаточно простое синтезируемое соединение с металлом — трикарбонил рутения. В результате рутениевые кластеры равномерно заполнили поры носителя, и после термической обработки получился высокоактивный катализатор.

Чтобы проверить, как работает полученный катализатор, исследователи с его помощью гидрировали гваякол — один из основных продуктов переработки древесины. Новый катализатор оказался до 60% активнее и стабильнее образцов, полученных классическим методом пропитки. Более того, он обеспечил 100% эффективность переработки сырья. Это значит, что весь гваякол оказался очищен от избытка кислорода.

Однако наиболее важным открытием стало то, что ученые нашли способ восстанавливать любые рутениевые катализаторы, которые ранее уже использовались и потеряли свою активность. Для этого к материалу при повышенной температуре и давлении нужно лишь добавить синтез-газ — смесь угарного газа и водорода. При такой обработке катализаторы с крупными частицами рутения восстанавливают свою активность вплоть до 100%. Авторы подчеркивают, что этот подход может позволить восстанавливать аналогичные катализаторы на основе никеля, железа, родия и других металлов. Эффективность такого подхода основана на том же механохимическом подходе, когда получают рутениевые частицы размером меньше нанометра из трикарбонила рутения, который образуется после обработки катализаторов синтез-газом.

«Предложенный метод будет экономически выгоден для химической и нефтехимической промышленности. Простые процедуры позволят сократить затраты на производство катализаторов, ускорить этот процесс и избежать использования дорогих реагентов и растворителей. Но самое важное — это возможность восстанавливать активность отработанных катализаторов на основе дорогостоящего рутения, уменьшив потребность в закупке нового металла и снизив расходы на переработку. В дальнейшем мы планируем изучить возможность применения данного метода на аналогичных системах с другими металлами», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгений Наранов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории химии углеводородов ИНХС РАН.