Химики Томского государственного университета представили улучшенную версию катализатора для получения ценной молочной кислоты из глицерина — дешевого отхода производства биотоплива. Новая разработка в два раза эффективнее предыдущей по выходу целевого продукта. Молочная кислота широко используется в пищевой, фармацевтической и химической отраслях, а также в производстве биоразлагаемых полимеров, в том числе для медицинских изделий — имплантов и расширителей сосудов. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда и вносит существенный вклад в достижение технологического лидерства РФ.
Коллектив лаборатории каталитических исследований химического факультета Томского государственного университета разработал способ экологичного и эффективного превращения глицерина в молочную кислоту (МК). Это стало возможным в результате замены ключевых компонентов и тонкой настройке свойств катализатора на основе глубокого понимания механизма реакции. Катализатор показал себя стабильным: его можно использовать не менее пяти раз без потери активности, а драгоценные металлы практически не вымываются в процессе реакции. Результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Journal of Catalysis (Q1) издательства Elsevier.
Команда под руководством доктора химических наук, профессора, заведующей кафедрой физической и коллоидной химии ХФ ТГУ Ольги Водянкиной работала над целенаправленным улучшением компонентов катализатора. Ученые оптимизировали его состав, отвечающий за первую стадию — окисление глицерина, и «настроили» пористый носитель, с участием которого реализуются остальные стадии каскадного превращения промежуточных продуктов в МК.
— Создание катализаторов — это одна из самых интересных и востребованных областей современной химии. Подходы к проектированию каталитических композиций могут быть очень разнообразными. Мы применили «сборку» из двух разных по природе компонентов — биметаллических наночастиц и металлорганического каркаса с равномерно распределенными кислотными центрами, присутствие которых равнозначно необходимо в составе катализатора. Более того, нам удалось согласовать скорости отдельных стадий сложного каталитического процесса для достижения результата, — рассказывает Ольга Водянкина.
Новый гибридный катализатор обеспечил конверсию глицерина в 55% и селективность по молочной кислоте выросла до 75%. Это означает, что выход целевого продукта вырос более чем в два раза по сравнению с палладиевым предшественником.
— Мы предложили принципиальный путь к созданию эффективной каталитической системы, способной реализовать окислительное превращение глицерина в молочную кислоту. Дальнейшее повышение эффективности возможно путем оптимизации условий каталитического процесса и создания перспективного для промышленности катализатора в виде гранул или таблеток. Это будут уже прикладные исследования, которые, как правило, проводятся при поддержке заинтересованных компаний реального сектора экономики, — добавляет Ольга Водянкина.
Работа имеет не только прикладную, но и фундаментальную ценность. Понимание связи «структура — свойство» в каталитической химии позволяет приблизиться к созданию природоподобных катализаторов, действующих по принципу ферментов в живых организмах.
Ранее химики ТГУ первыми в мире доказали саму возможность проведения этой сложной каскадной реакции без добавления щелочи, используя катализатор на основе палладия, висмута и пористого металлорганического каркаса. Та гибридная система стала первым прототипом, подтвердившим выбранное направление поиска каталитической системы. Однако эффективность процесса оставалась относительно невысокой: из общего объема глицерина в реакцию вступало лишь 19%, а в молочную кислоту из этого глицерина превращалось 58% — остальная доля конвертировалась в побочные продукты.
Вместо палладия они использовали наночастицы платины с добавлением висмута (Pt-Bi). Подобрав оптимальное соотношение металлов (9:1), химики добились более избирательного окисления глицерина, направляя его по нужному пути — к образованию дигидроксиацетона (промежуточного звена на пути к молочной кислоте), а не побочных продуктов. Сами наночастицы, полученные методом лазерной абляции, имеют уникальную структуру: богатое платиной ядро и оболочку, обогащенную оксидами висмута.
Главная «настройка» коснулась самого носителя — металлоорганического каркаса UiO-66. Это соединение похоже на пористую губку, состоящую из неорганических узлов (кислородсодержащих кластеров циркония) и органических молекул-«линкеров». Внутри пористого пространства UiO-66 на поверхности Zr-содержащих кластеров равномерно распределены кислотные центры, которые катализируют превращение промежуточных продуктов в молочную кислоту. Для повышения эффективности работы активных центров химики частично заменили часть атомов циркония в узлах каркаса на атомы титана. Это, как показали исследования с помощью ИК-спектроскопии, сделало кислотные центры более сильными, что критически важно для последующих стадий превращения.
Сборка катализатора тоже имела значение. Лучший результат показал образец, где готовые наночастицы Pt-Bi просто нанесли на поверхность модифицированного титаном металлорганического каркаса. Этот способ, в отличие от химического синтеза биметаллических Pt-Bi частиц прямо в порах, позволил сохранить кристаллическую структуру носителя нетронутой.
Источник: пресс-служба ТГУ