Ученые из Научно-исследовательского института химии Университета Лобачевского (ННГУ) создали новые отечественные катализаторы для синтеза циклокарбонатов — важных соединений, используемых в фармацевтике, «зеленой химии», нефтепереработке и при производстве литий-ионных аккумуляторов. Разработанная технология призвана снизить стоимость и упростить процесс производства циклокарбонатов.
«Мы освоили технологию преобразования CO2 в продукты, представляющие практическую ценность. В целом, углекислый газ не является столь токсичным и опасным, однако его избыточное количество в атмосфере значительно усиливает проблему загрязнения парниковыми газами. Углекислый газ (CO2) подвергается переработке в циклические карбонаты, которые в последнее время приобретают все большую популярность благодаря своей полезности, например, в качестве растворителей или компонентов для литий-ионных аккумуляторов. Сам процесс требует использования катализатора, поскольку он не может протекать спонтанно. Это позволяет ускорить реакцию и повысить её эффективность, что приводит к получению более чистых продуктов с высоким выходом. В нашем случае это полимеры, содержащие каталитические центры — своего рода каталитические «губки», с помощью которых и осуществляется переработка», — сообщила корреспонденту «Научной России» автор исследования, младший научный сотрудник лаборатории инженерной химии НИИ химии ННГУ им. Н.И. Лобачевского Анна Андреевна Головачева.
Разработка основана на применении пористых полимеров, содержащих ионные группы, которые действуют как высокоэффективные катализаторы. Благодаря им реакция соединения эпоксидов с углекислым газом может протекать при менее строгих условиях, что позволяет существенно уменьшить требуемое давление и температуру, а также увеличить выход целевого продукта до 80% и выше.
«У нас имеются два вида катализаторов. Первый тип – полимеризованные ионные жидкости, характеризующиеся небольшой площадью поверхности, но содержащие значительное количество активных центров. Второй тип – это сверхсшитые ионные полимеры, обладающие площадью поверхности, превышающую площадь первого типа в 10-20 раз – примерно 500 м²/кг, однако их количество активных центров существенно ниже. Таким образом, для ускорения процесса и его интенсификации необходимы катализаторы первого типа. Второй тип катализаторов позволяет, например, организовать проточный процесс, поскольку они обеспечивают хороший пропуск больших объемов газа и демонстрируют высокую эффективность.
Промышленные катализаторы, например соли аммония или металлоорганические комплексы, как правило, характеризуются высокой стоимостью, создают экологические риски и чувствительны к условиям проведения реакции. Полимерные аналоги, разработанные нижегородскими химиками, представляют собой более безопасную, экономичную в производстве и многоразовую альтернативу, что является ключевым фактором для увеличения объемов производства.
«Экологическая безопасность катализаторов обусловлена, прежде всего, отсутствием металлов. Металлы способны выщелачиваться, загрязняя продукт, водные ресурсы и оказывая негативное воздействие на технологический процесс. В наших катализаторах металлов не содержится, поскольку активные центры прочно связаны с полимерной матрицей посредством ковалентных связей, что исключает их миграцию. Кроме того, используемые полимеры не предъявляют особых требований к условиям эксплуатации. Для их работы не требуется инертная среда, влажность не оказывает существенного влияния, а также исключается необходимость в экстремально высоких давлениях или температурах. Для обеспечения корректной работы системы необходимо точное соблюдение всех параметров. В нашем случае условия реакции более щадящие, что также способствует экологичности. Помимо этого, низкое энергопотребление приводит к снижению выбросов CO2, уменьшая воздействие на окружающую среду. Также следует отметить, что оператору производства безопаснее работать, поскольку не требуется соблюдение строгих параметров температуры и давления.
Ученые продолжают исследовать физико-химические характеристики новых катализаторов. Опробовать технологию в условиях промышленного производства планируется на следующем этапе. Опубликованы результаты исследований, которые финансировались грантами Российского научного фонда и Фонда содействия инновациям, в международном журнале Industrial & Engineering Chemistry Research.
Новость создана при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации
Фотография из пресс-службы ННГУ, автор – Андрей Скворцов)