Ученые СО РАН выяснили, какие спирты блокируют процесс переноса водорода
Ученые Центра компетенций Национальной технологический инициативы «Водород как основа низкоуглеродной экономики» на базе Института катализа СО РАН исследовали использование низших спиртов для реакций переноса водорода.
Они раскрыли механизм их влияния на состояние активных центров никелевых металлических катализаторов. Полученные данные принципиально важны для понимания допустимых границ применения катализаторов реакций переноса водорода и разработки соответствующих технологий запасания и транспортировки водорода.
Спирты часто рассматривают как перспективные доноры водорода — их активность неоднократно доказана, они просты в обращении и безопасны для транспортировки в отличие от газообразного водорода. Дополнительное привлекательное преимущество — возможность получения спиртов из растительной биомассы, что делает процесс более экологически чистым.
Для извлечения водорода из спиртов можно использовать никелевые катализаторы — у них высокая активность и они дешевые. Однако, они могут терять свою активность под действием реакционной среды и условий процесса. Ученые ИК СО РАН раскрыли универсальный механизм, в соответствии с которым первичные спирты, такие как метанол, этанол и 1-пропанол, отравляют катализатор. В то же время со вторичным спиртом (например, 2-пропанолом) процесс протекает эффективно.
«Мы выяснили, что первичные спирты с никелевыми катализаторами не работают. От них отделяется молекула монооксида углерода, из-за чего катализатор дезактивируется и больше не способен эффективно работать. Вторичные спирты, а именно 2-пропанол, позволяют проводить реакцию переноса водорода, и, следовательно, процесс гидрирования. Эти данные важны с точки зрения использования спиртов как источника водорода для проведения реакций гидрирования», — рассказывает научный сотрудник отдела физико-химических методов исследования на атомно-молекулярном уровне (ОФХИ АМУ) ИК СО РАН к.х.н. Николай Нестеров.
Ученый отмечает, что при работе с первичными спиртами никелевые катализаторы претерпевают фазовые превращения. Так, формируется фаза карбида никеля, а также значительно увеличивается размер каталитически активных частиц металлического никеля, что практически полностью дезактивирует катализатор. Работа со вторичными спиртами не приводит к перестройке никелевого катализатора, и он сохраняет свою активность в ходе процесса.
По словам руководителя ОФХИ АМУ, замдиректора Института катализа СО РАН д.х.н. Олега Мартьянова, эта работа — яркий пример синергизма идей и знаний специалистов из областей органической химии (группа начинала работать под руководством крупного специалиста Андрея Чибиряева), катализа и физических методов исследования. «С одной стороны, полученные результаты подтверждают правильность идеи основателя института Г. К. Борескова о взаимодействии гетерогенного катализаторов и реакционной среды, с другой — принципиальную важность использования комплекса взаимодополняющих методов исследования в режиме in situ, когда появляется возможность одновременно получать информацию о состоянии катализаторов и химических превращениях, которые реализуются в ходе химического процесса. Нам многое предстоит сделать в этом направлении, в том числе исследовать восстановительные превращения гетероатомных соединений тяжелых нефтей в низших спиртах», — резюмирует ученый.
Изображение: Элементное картирование никелевого катализатора после взаимодействия с первичным спиртом при температуре 250 °С. Источник: ИК СО РАН.