Переход к более чистым источникам энергии требует сокращения использования угля, нефти и газа. Одним из перспективных направлений является выпуск горючего из отходов деревообработки. Получаемая из них бионефть представляет сложную смесь, чтобы такое сырье стало полноценным топливом, из него необходимо удалить избыточный кислород с помощью процесса гидроочистки, где ключевую роль играют металлические катализаторы.
Обычно рутений наносят на пористый носитель методом пропитки растворами солей. Однако частицы металла при этом склонны слипаться и концентрироваться на поверхности, что быстро снижает их активность. 

Ученые Южного федерального университета совместно с коллегами из Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова предложили простой метод получения рутениевых катализаторов и рентгеновской диагностики структуры активных центров непосредственно в ходе реакции. 

Основной способ их приготовления — пропитка пористого носителя растворами солей металла — после удаления жидкости наноразмерные частицы рутения склонны слипаться. Ученые предложили механохимический подход, при котором реагенты смешиваются без растворителей. В качестве источника металла использовали трикарбонил рутения. В результате кластеры равномерно заполнили поры носителя, а после термообработки был получен высоко активный материал. Информацию о структуре катализатора на разных этапах его подготовки получили в режиме in situ на Курчатовском источнике синхротронного излучения с помощью методики, разработанной в ЮФУ.

Испытания нового катализатора в реакции гидрирования гваякола, одного из основных компонентов древесной бионефти, показали его высокую эффективность: активность катализатора оказалась до 60% выше по сравнению с образцами, полученными классическим методом, а степень очистки сырья достигла 100%. Такая активность достигается благодаря наличию активных центров рутения в катализаторе, которые были идентифицированы с помощью рентгеновского излучения и в ходе реакции эволюционировали от Ru(CO)₂ до состояния металлических наночастиц. Особое значение имеет обнаруженный способ восстанавливать отработанные катализаторы. Обработка синтез-газом — смесью угарного газа и водорода – при повышенных температурах и давлении приводит к уменьшению размера частниц рутения. По мнению авторов, аналогичный подход может быть применен к системам на основе никеля, железа и родия.

«Такие разработки — это серьезный шаг вперед в области экологичных технологий и переработки биосырья. Особенно важно, что удалось не только повысить эффективность катализатора, но и предложить способ его восстановления, что делает решение более устойчивым и экономически выгодным. Вклад команды Южного федерального университета в работу состоял в рентгеновской диагностике катализатора на разных стадиях его синтеза и работы, что позволило оптимизировать условия реакции и предложить новые подходы к сохранению его активности в течение длительного времени», — отмечает Александр Гуда. 

Итоги работы, выполненной при поддержке Министерства образования и науки РФ, опубликованы в журнале Journal of Colloid and Interface Science. Коллектив авторов из ИНХС был поддержан грантом Российского научного фонда, а исследования на Курчатовском источнике синхротронного излучения выполнялись в рамках проекта Минобрнауки (соглашение 075-15-2025-509).

Автор: Елизавета Христич, ред. Юлия Сопрунова

Пресс-релиз подготовлен совместно с Пресс-службой Российского научного фонда (РНФ)

Рис. 1 —  Исследователи гидрировали гваякол, один из основных продуктов переработки древесины, чтобы проверить работу катализатора. Источник: Freepik
Рис. 2 — Схема производства высокоактивных рутениевых катализаторов, а также их получения из неактивных катализаторов. Источник: Евгений Наранов.
Рис. 3 — Микрофотография катализатора, полученного стандартной методикой — пропиткой по влагоёмкости (слева) — и микрофотография этого же образца после добавления синтез-газа. Средний размер частиц уменьшился с 10 нанометров до двух
Рис. 4 — д.физ.-мат.н., заведующий исследовательской лабораторией «Микрофлюидные технологии для ускоренного синтеза материалов» МИИ ИМ ЮФУ Александр Гуда. Источник: пресс-слудба ЮФУ

Справочно:

Южный федеральный университет, являясь участником программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»), концентрирует усилия на решении задач научно-технологического развития страны. В рамках этой работы университет на основе сетевой архитектуры взаимодействия создает производственно-технологические цепочки полного цикла для ответа на «большие вызовы». Ключевые направления развития охватывают ряд критических и сквозных технологий, которые лежат в основе трех ключевых стартегических технологических проектов вуза: «Технологии биоинженерии почв», «Технологии многофункциональной микроэлектроники и интеллектуальной сенсорики для биогибридных и киберфизических систем» и «Технологии ускоренной разработки и трансфера стратегически важных материалов в микро- и малотоннажное производство».

    Читай свежие новости ЮФУ в МАКС