Учёные Сколтеха в сотрудничестве с коллегами из ИОХ им. Н. Д. Зелинского РАН, Южно-Российского государственного политехнического университета и других российских научных организаций предложили экономный с точки зрения расхода драгоценного металла катализатор из углерода и палладия, необходимый для производства лекарств, пестицидов и пластика. Углеродная основа нового катализатора изготовлена из отходов переработки растительного сырья. Благодаря отсутствию в этой основе пор, снижающих активность палладия, расход этого дорогостоящего металла снижается примерно в 100 раз по сравнению с аналогичными промышленными катализаторами. Исследование опубликовано в журнале ChemSusChem.

Катализаторы незаменимы в современном производстве топлив, полимеров, лекарств. Многие катализаторы делают из драгоценных металлов (палладия, родия, платины), которые наносят на специальный носитель, например активированный уголь. Недавние исследования показали, что огромная часть драгоценного металла в этих катализаторах (до 98%) — это мёртвый груз, застрявший в микропорах металл, который недоступен химическим реагентам и не участвует в катализе.

Как оживить «мёртвый» металл и заставить его работать? Решение проблемы — использовать в качестве носителей специальные углеродные материалы без микропор, но с большой внешней поверхностью и повышенной способностью удерживать на ней наночастицы и отдельные атомы металла. Но такие углеродные материалы дороги и сложны в производстве.

Учёные из Сколтеха и их коллеги разработали новый материал, состоящий из углерода и азота, в котором очень мало микропор, «убивающих» активный металл. Этот материал, благодаря высокому содержанию азота, позволяет прочно удерживать на поверхности активные наночастицы и атомы металла. Изготовленный на основе этого материала палладиевый катализатор содержит очень мало «мёртвого» металла и демонстрирует рекордную активность в промышленно важных реакциях кросс-сочетания и гидрирования, используемых для производства лекарств, пестицидов и мономеров — важнейших компонентов для изготовления пластмасс.

Применение нового катализатора может позволить не только удешевить производство многих синтетических веществ, но и уменьшить их загрязнение токсичным палладием, что особенно важно для фармацевтики.

Самое интересное, что сырьём для производства уникального углеродного материала, основы нового катализатора, послужили отходы — так называемые гумины, которые в больших количествах образуются на химических заводах по производству фурфурола, древесного спирта и других веществ из растительного сырья. Эти отходы, благодаря высокому содержанию углерода и специфическим свойствам, позволили разработать простой путь получения уникального углеродного материала с большим содержанием азота. Эффективность нового катализатора в исследованных реакциях превзошла большинство ранее известных катализаторов Pd/C, производимых из отходов переработки растительного сырья.

Помимо Сколтеха, Южно-Российского государственного политехнического университета, и ИОХ РАН, в работе приняли участие учёные из Института катализа СО РАН и МИСиС.