Новости химической науки > Золотая пара познакомится с двумя молекулами метана

Каталитически активные системы, состоящие из двух атомов золота, позволяют получить этилен из метана.

Рисунок из Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 980

Этилен (CH₂=CH₂) представляет собой важное сырье для химической промышленности, в особенности – для получения таких полимеров, как полиэтилен и полистирол. В настоящее время промышленный метод получения этилена основан на парофазном крекинге легких фракций, отделяющихся при ректификационной перегонке нефти. Перспективной альтернативой этому методы может стать производство этилена из метана (CH₄), поскольку, в отличие от нефти, природный газ, основным компонентом которого является метан, рассматривается как возобновляемый источник сырья.

К сожалению, проблема получения этилена из метана осложняется тем, что в молекуле метана содержатся чрезвычайно прочные связи углерод-водород, благодаря которым атом углерода метана способен вступать в реакции образования связей С-С лишь в крайне жестких условиях, да и в этом случае реакция протекает с крайне низкой селективностью, приводя к образованию смеси продуктов.

Исследователи из групп Торстена Бернхардта (Thorsten M. Bernhardt) из Университета Ульма (Германия) и Узи Ландмана (Uzi Landman) из Технологического Института Джорджии разработали процесс селективной конверсии метана в этилен при низкой температуре и низких давлениях, катализируемый активными частицами, состоящими из двух атомов золота.

Исследователи поясняют, что активация инертных связей С–Н метана представляет собой сложный процесс, особенности протекания которого на молекулярном уровне необходимо понять для создания эффективно работающей каталитической системы.

Для изучения механизма исследователи решили изучить поведение модельных кластеров различных металлов в активации метана. Изучение свойств малых кластеров золота показало, что положительно заряженные частицы, состоящие из двух атомов благородного металла (Au₂⁺), способствует селективному преобразованию метана в этилен в газовой фазе.

Эксперименты по фиксированию и изучению интермедиатов каталитической реакции наряду с квантово-химическим моделированием позволило исследователям предложить механизм действия новой каталитической системы.

Исследователи предполагают, что каждый атом золота частицы Au₂⁺ связывается с молекулой метана, водород отщепляется, и между атомами углерода образуется одинарная связь. Образовавшийся прекурсор этилена на первоначальном этапе остается связанным с одним из атомов золота, а «освободившийся» атом золота связывается с очередной молекулой метана. На последней стадии еще одна молекула метана замещает прекурсор этилена на атоме золота, этилен высвобождается, и каталитический цикл замыкается.

Раскрывая дополнительные детали механизма, Бернхардт и Ландман заявляют, что как активация связи углерод-водород в метане, так и последующее дегидрирование/сочетание метана до этилена требуют кооперативного участия нескольких атомов, связанных с двухатомным золотым кластером. Исследователи заявляют, что целью их исследования было не только академическое изучение механизма активации метана кластерами различных металлов, но и создание промышленной системы конверсии метана в этилен.

Источник: Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 980; doi: 10.1002/anie.200905643

метки статьи: #квантовая химия, #кинетика и катализ, #нанотехнологии, #неорганическая химия, #химическая технология