Красноярские ученые определили, от чего зависит эффективность твердых кислотных катализаторов. Эти данные помогут создавать эффективные и экологичные катализаторы, которые смогут заменить токсичные жидкие кислоты в промышленности.
В современных химических производствах, от создания лекарств до получения топлива, тысячи реакций протекают с участием катализаторов — веществ, которые ускоряют химические процессы. В этом качестве используют в том числе растворимые кислоты.
Но у этого метода есть серьезный побочный эффект. После завершения реакции катализатор сложно отделить от готового продукта. Единственный способ — нейтрализовать кислоту, но образуются токсичные стоки.
Решением могли бы стать твердые нерастворимые кислоты, которые легко удалить в конце реакции с помощью простой фильтрации. Но часто их эффективность очень низкая.
Ученые из Красноярского научного центра СО РАН выяснили, что влияет на скорость химических реакций, которые протекают с участием твердых кислот.
Оказалось, что эффективность твердых кислот связана с поведением протонов — положительно заряженных частиц. Именно способность отдавать протон другим молекулам определяет силу кислоты. А ее каталитическая активность зависит не только от собственной силы кислоты, но и от тонких эффектов на поверхности, которые могут меняться при контакте с реагентом. Понимание процессов, происходящих на поверхности катализаторов, поможет создавать более эффективные и устойчивые технологии.
В качестве примера можно рассмотреть гидролиз целлюлозы, химическую реакцию разложения вещества с участием воды. Идеальными кандидатами для такой реакции являются твердые катализаторы, и наше исследование позволило заглянуть в интересный аспект их работы. Оказалось, что ключевую роль играет не сама поверхность катализатора, а «протонное облако», которое ее окружает. Твердая и нерастворимая целлюлоза и даже ее растворимые фрагменты не могут проникнуть в узкие поры катализатора, но протоны из диффузного слоя активно с ней взаимодействуют, запуская реакцию.
Наше исследование объясняет, почему одни твердые кислоты работают хорошо, а другие нет. Все зависит от того, как формируется и ведет себя протонное облако при контакте с реагентами, — рассказывает один из авторов исследования Виктор Голубков, младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.
Результаты открывают путь к созданию новых экологичных «зеленых» твердых катализаторов для промышленности, которые не будут образовывать солевые стоки.
Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
