Российские ученые синтезировали стабильный платиновый катализатор, который можно многократно — не менее 45 раз — использовать для ускорения химических реакций. Он позволит удешевить производство силиконов, а также уменьшить загрязнение окружающей среды токсичными катализаторами на основе платины.
Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Catalysis. Силиконы — кремнийорганические соединения — широко применяются в различных областях человеческой деятельности. Они используются в авиакосмической и строительной отрасли, кораблестроении, медицине и сельском хозяйстве, а также входят в состав бытовой химии, косметики, лакокрасочных материалов и хозяйственных товаров. Эти вещества в промышленных масштабах синтезируют с использованием катализаторов на основе платины. Катализатор ускоряет реакцию гидросилилирования, которая позволяет ввести кремнийсодержащие фрагменты в состав алкенов — органических соединений, являющихся продуктами нефтепереработки.
У платиновых катализаторов есть несколько недостатков — высокая стоимость и загрязнение окружающей среды этим металлом. Кроме того, их использование повышает стоимость получаемых материалов: около 30 процентов цены силиконов составляет стоимость платинового катализатора. Учитывая, что ежегодное потребление платины только в 2007 году составило более 5,6 тонн и нарастает, это можно считать серьезной экологической и экономической проблемой. Попытки найти замену среди соединений на основе более дешевых, доступных и безопасных металлов, например железа, меди, кобальта и хрома, не увенчались успехом из-за их низкой эффективности. В связи с этим химики пытаются создать новые катализаторы на основе платины, которые можно будет многократно использовать и перерабатывать.
Ученые из Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН (Москва) в сотрудничестве с российскими коллегами синтезировали устойчивый к действию влаги и воздуха экономичный и экологичный платиновый катализатор, который можно многократно использовать. За основу авторы взяли коммерчески доступную соль металла, растворенную в этиленгликоле. Этот широкодоступный и дешевый органический растворитель стабилизировал частицы платины и позволял вновь и вновь регенерировать катализатор после применения без потерь и выбросов в окружающую среду.
Авторы проверили способность полученного платинового катализатора ускорять химические реакции гидросилилирования. Выход целевых продуктов достигал 95-99%, что говорит о высокой эффективности полученного катализатора. При этом побочных соединений не образовывалось, а искомое вещество легко можно было очистить от катализатора.
Исследователи также показали, что предложенный платиновый катализатор в этиленгликоле можно использовать не менее 45 раз подряд, при этом на первых 36 циклах его активность не снижалась, и нужная реакция протекала всего за пару минут. Однако, начиная с 37 цикла, скорость превращения постепенно понижалась, и на заключительных этапах эксперимента превращение занимало несколько часов.
«Предложенный нами платиновый катализатор по эффективности не только не уступает промышленным аналогам, но и превосходит их в некоторых случаях. Более того, его можно использовать многократно, в отличие от индустриальных катализаторов гидросилилирования, что позволяет понизить расходы и безвозвратное “распыление” платины и, следовательно, удешевить производство силиконов и уменьшить загрязнение окружающей среды. Еще одним несомненным достоинством разработанного катализатора является простота получения и использования. В дальнейшем мы продолжим поиск новых высокоэффективных катализаторов», — рассказывает один из авторов исследования Ашот Арзуманян, руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, руководитель групп «Катализ в кремнийорганической химии» ИНХС РАН и «Функциональные соединения элементов IV группы» ИНЭОС РАН.
В работе также принимали участие исследователи: аспирант Ирина Гончарова (ИНХС имени А. В. Топчиева РАН и Институт элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН (Москва)), кандидат химических наук Роман Новиков (Институт органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН (Москва)) и руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, академик РАН, доктор химических наук, Ирина Белецкая (Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова(Москва)).