Новый катализатор, созданный учеными, использует рутений и предназначен для переработки растительных отходов в экологически чистое топливо. Инновационная технология позволила создать кластеры рутения, размер которых составляет менее нанометра, и обеспечить их равномерное распределение внутри пористой основы, что существенно увеличило эффективность материала. Кроме того, химикам удалось разработать метод восстановления работоспособности катализаторов, потерявших свои свойства, что потенциально может уменьшить издержки, связанные с их производством.
Переход к более экологичным источникам энергии предполагает снижение потребления угля, нефти и газа. Производство топлива из отходов деревообработки является одним из многообещающих подходов. Бионефть, получаемая из этих отходов, представляет собой сложную смесь. Для того чтобы это сырье соответствовало требованиям к полноценному топливу, необходимо удалить из него избыточный кислород посредством гидроочистки, в которой решающую роль играют металлические катализаторы.
Рутений чаще всего наносят на пористый носитель посредством пропитки растворами солей. Тем не менее, в процессе этого металл имеет тенденцию к агломерации и концентрации на поверхности, что приводит к быстрой потере активности.
Ученые из Южного федерального университета в сотрудничестве с исследователями из Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН и Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова предложили простой метод получения рутениевых катализаторов и рентгеновской диагностики структуры активных центров непосредственно в ходе реакции.
Приготовление обычно включает в себя пропитку пористого материала растворами солей металла, однако после удаления жидкости наноразмерные частицы рутения имеют тенденцию к образованию комков. В качестве альтернативы ученые разработали механохимический метод, предполагающий смешивание реагентов без использования растворителей. В качестве источника металла был использован трикарбонил рутения. Благодаря этому кластеры равномерно распределились внутри пор носителя, и после последующей термообработки был получен высокоактивный материал. Данные о структуре катализатора на различных этапах его создания были получены в режиме in situ на Курчатовском источнике синхротронного излучения с использованием методики, разработанной в ЮФУ.
Проведение испытаний нового катализатора в процессе гидрирования гваякола – ключевого компонента древесной бионефти – продемонстрировало его выдающиеся характеристики. Активность разработанного катализатора превышала показатели образцов, синтезированных традиционным способом, на 60%, а степень очистки исходного сырья составила 100%. Выявленная активность обусловлена присутствием активных центров, содержащих рутений, которые, согласно данным рентгеновского анализа и наблюдений в ходе реакции, трансформировались из Ru(CO) 2 до состояния металлических наночастиц. Особое значение имеет обнаруженный способ восстанавливать отработанные катализаторы. Обработка синтез-газом — смесью угарного газа и водорода – при повышенных температурах и давлении приводит к уменьшению размера частниц рутения. По мнению авторов, аналогичный подход может быть применен к системам на основе никеля, железа и родия.
«Представленные разработки знаменуют собой значительный прогресс в сфере экологически чистых технологий и переработки биоматериалов. Причем, важным достижением стало не только повышение эффективности катализатора, но и разработка метода его регенерации, что обеспечивает устойчивость и экономическую целесообразность решения. Сотрудники Южного федерального университета внесли существенный вклад, проведя рентгеновский анализ катализатора на различных этапах его создания и эксплуатации. Это позволило усовершенствовать условия протекания реакции и выработать новые методы поддержания его активности в течение продолжительного периода», — отмечает Александр Гуда.
Результаты исследований, осуществленных при содействии Министерства образования и науки РФ, были обнародованы в журнале Journal of Colloid and Interface Science. Авторам из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера была оказана поддержка со стороны Российского научного фонда, а работы на Курчатовском источнике синхротронного излучения проводились в рамках проекта Министерства науки и высшего образования (соглашение № 075-15-2025-509).
Материалы, включая схему, переданы Центром общественных коммуникаций Южного федерального университета