Новости химической науки > Серебро и экологически чистое получение полимеров

Исследователи из США разработали новый класс катализаторов на основе субнаноразмерных кластеров серебра. Новые катализаторы могут способствовать экологически чистому получению пропиленоксида – ключевого интермедиата в синтезе различных продуктов от антифризов и полимеров до косметических препаратов.

Энергетический профиль катализируемой кластером Ag₃ реакции окисления пропилена, рассчитанный с помощью метода DFT. (Рисунок из Science, 2010, DOI: 10.1126/science.1185200)

Существующие методы получения пропиленоксида либо отличаются незначительной эффективностью для получения этого ценного органического соединения в промышленных масштабах, либо наносят ущерб окружающей среде за счет выделения токсичных сопродуктов, например, акролеина. В настоящее время многие химические компании, включая таких промышленных гигантов как BASF и Dow, интенсивно разрабатывают новые экологически безопасные и энергетически эффективные методы получения пропиленоксида.

К настоящему времени уже разработан ряд методов получения пропиленоксида, окислителем в которых является пероксид водорода, однако до сих пор не существовало катализатора промышленного способа получения пропиленоксида за счет окисления пропилена кислородом, протекающего без образования значительных количеств диоксида углерода.

Ларри Кёртисс( Larry Curtiss) с соавторами из Национальной Лаборатории Аргонны разработали катализатор, позволяющий получать пропиленоксид окислением пропилена кислородом. Новый катализатор представляет собой кластеры серебра, осажденные на подложке из оксида алюминия. Изучение влияния размера кластеров на их каталитическую активность продемонстрировало, что наибольшей каталитической активностью отличаются кластеры, состоящие из трех атомов серебра. Помимо высокой активности, приводящей к возможности проведения окисления при низких температурах и, таким образом, экономии энергии, при действии катализаторов образуется крайне незначительное количество диоксида углерода и не образуется акролеин.

Оптимальная температура окисления пропилена на новых катализаторах меньше, чем температура для традиционных методов промышленного получения пропиленоксида. Интенсивность кругооборота нового катализатора в четыре раза выше, чем у катализаторов аналогичных реакций на основе кластеров золота и много выше, чем у существующих серебряных катализаторов.

Катализаторы на основе кластеров серебра были получены путем облучения ультратонкой подложки из оксида алюминия молекулярным пучком, содержащим кластеры алюминия. Для выяснения причин высокой активности катализаторов исследователи провели теоретическое исследование каталитической системы методом DFT, результаты которого позволяют предположить, что высокая активность кластеров серебра обуславливается наличием неспаренных электронов.

Чарльз Мимс (Charles Mims), эксперт по процессам окисления непредельных соединений из Университета Торонто полагает, что для полноценного сравнения существующих катализаторов промышленных процессов получения эпоксидных циклов с катализаторами Кёртисса необходимо учитывать еще и такой параметр, как и стабильность новых катализаторов в условиях промышленного получения окисей алкенов.'

В группе Кёртисса в настоящее время изучают возможность масштабирования до промышленных объемов получения пропиленоксида в условиях катализа малыми кластерами. Другое направление исследований группы – разработка биметаллических катализаторов, способных одновременно катализировать два этапа реакций.

Источник: Science, 2010, DOI: 10.1126/science.1185200

метки статьи: #квантовая химия, #кинетика и катализ, #органическая химия, #органический синтез, #химическая технология, #химия поверхности