Специалисты из Красноярского научного центра СО РАН раскрыли механизм, определяющий эффективность твердых кислотных катализаторов, что является важным шагом на пути к созданию экологичных химических производств. Результаты исследования показывают, что ключевую роль в каталитической активности играет не сама поверхность материала, а поведение протонов, формирующих вокруг нее заряженное облако. Это открытие позволит создавать высокоэффективные и безопасные катализаторы для замены токсичных жидких кислот, широко используемых сегодня в промышленности.
В современных химических процессах, от синтеза лекарств до производства топлива, тысячи реакций проходят с участием катализаторов. Для кислотно-катализируемых реакций традиционно применяются растворимые кислоты, которые практически невозможно отделить от конечного продукта. Единственным решением остается их нейтрализация, что приводит к образованию огромного объема токсичных солевых стоков, наносящих вред окружающей среде. Альтернативой могли бы стать твердые нерастворимые кислоты, которые легко извлечь фильтрацией, но их главным недостатком до сих пор была низкая эффективность по сравнению с жидкими аналогами.
Красноярские ученые провели исследование, чтобы выяснить причины этого явления. Они изучили два типа катализаторов: суперкислотный полиоксометаллат цезия и сульфированный углерод, используя в качестве модельной реакции гидролиз этилацетата. Оказалось, что эффективность твердой кислоты напрямую связана с тем, как органические молекулы реагента влияют на поведение протонов на ее поверхности. При контакте с суперкислотным катализатором молекулы этилацетата выталкивают протоны наружу, создавая плотное положительно заряженное «протонное облако», которое значительно ускоряет химическое превращение.
С обычными твердыми катализаторами наблюдается противоположная картина. Молекулы реагента прочно блокируют активные центры на поверхности, что мешает выделению протонов и резко снижает каталитическую активность. Таким образом, сила кислоты является важным, но не единственным фактором. Решающее значение имеют тонкие поверхностные эффекты, которые возникают при контакте с реагентом и меняют структуру так называемого диффузного слоя. Это объясняет, почему одни твердые кислоты работают превосходно, а другие оказываются практически бесполезными.
Наше исследование переворачивает представление о работе твердых катализаторов на примере гидролиза целлюлозы. Этот возобновляемый полимер — ценное сырье для «зеленой» химии, но, чтобы превратить его в биотопливо или пластик, нужен эффективный катализатор. Мы обнаружили, что настоящий «двигатель» реакции — не сама твердая поверхность, а невидимое «протонное облако», ее окружающее. Молекулы целлюлозы слишком велики, чтобы попасть в узкие поры, но протоны из этого облака легко достигают их, запуская распад. Вот почему одни катализаторы работают хорошо, а другие нет — все решает способность материала создавать оптимальное протонное облако, которое не «засоряется» в процессе.
Ранее ученые презентовали безопасный способ добычи платиновых металлов из отходов.
