Исследователи Политеха создают многоразовые катализаторы
Коллектив разработал металлорганические каркасы с «примесью» полимеров
Ученые Самарского политеха и Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) на основе металлорганического каркаса и полимера разработали новый материал, способный ускорять химические реакции. Такой катализатор оказался в четыре раза эффективнее аналогичного соединения без полимера. Кроме того, его можно использовать несколько раз, тем самым снижая материальные затраты и нагрузку на окружающую среду.
За счет пористого строения металлорганические каркасы (МОК) обладают огромной площадью внутренней поверхности, что позволяет использовать их в качестве эффективных катализаторов. Они контактируют с реагентами, и чем больше будет пространства для таких взаимодействий, тем выше окажется скорость процесса. Но после нескольких циклов такого использования катализаторы приходят в негодность. Срок их службы можно увеличить путем введения в поры дополнительных веществ, например, полимеров, служащих своего рода распорками-стабилизаторами, не позволяющим системе выходить из строя.
Команда политеховцев и швейцарских ученых за основу нового материала взяла MOК-структуру, содержащую ионы меди, которые обладают каталитической активностью. Исследователи обработали ее соединениями азота и углекислым газом, из которых синтезировались полимеры, затем встраивающиеся в каркас.
С помощью специальных вычислительных программ авторы выяснили, что самыми перспективными в дальнейшем использовании были структуры, в которых площадь контакта полимерных частиц с каркасом была наибольшей. Кроме того, в этих случаях полимер был способен самопроизвольно наращиваться с двух сторон, что исключало необходимость переориентации фрагментов для поддержания его роста.
Авторы также оценили, насколько полученный композит с дополнительно введенным палладием (второй катализатор) в порах способен ускорять реакцию взаимодействия соединения азота с органической кислотой. Эксперимент показал, что МОК, содержащие полимер, сохраняют свою эффективность вплоть до 16 циклов. После этого происходит постепенное снижение их свойств и полное прекращение работы после 24 цикла (аналогичный композит MOК, лишенный полимера, был активен только до шестого).
– Мы разработали новый способ обогащения металлорганических каркасов полимерами. В результате полученный материал проявлял высокую каталитическую активность, которая сохранялась на протяжении многих циклов использования. Результаты исследования позволят повысить производительность микропористых катализаторов, а также использовать их во многих областях, связанных с экологией и энергетикой, – рассказывает руководитель проекта, старший научный сотрудник международный научно-исследовательский центр по теоретическому материаловедению Политеха Евгений Александров.
Полученный учеными материал окажется полезным в химическом синтезе и в промышленности, например, при производстве моющих средств и красителей.
Результаты исследования поддержаны грантом Российского научного фонда и опубликованы в Chemistry of Materials.
