Ученые НИЦ «Курчатовский институт» в составе исследовательской группы создали новый катализатор, превосходящий аналоги сразу по нескольким характеристикам. Он разработан для важного индустриального процесса гидрирования ацетилена, в результате которого получают этилен. Исследователям удалось добиться улучшения свойств катализатора, одновременно повысив его активность и селективность. Это открывает перспективы промышленного использования данной разработки в полимерной индустрии. Результаты исследования опубликованы в журнале Topics in Catalysis.
Палладиевые частицы являются очень активным катализатором гидрирования, однако они не могут обеспечить селективность процесса, которая крайне важна в индустрии. Для этого к палладию добавляют другой металл, добиваясь таким образом сочетания нужных свойств. К примеру, в промышленности для гидрирования ацетилена используют биметаллический катализатор, в котором селективность достигается за счет присутствия серебра. Однако для удешевления производства вместо этого благородного металла можно использовать и другие добавки, например, цинк.
«Соединения на основе палладия и цинка очень перспективны для процессов гидрирования ацетилена. Однако никто не изучал, каким образом соотношение двух металлов влияет на структуру и свойства катализатора, – отметил автор работы, научный сотрудник Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований Евгений Храмов. – Мы задались вопросом: существует ли идеальный баланс, при котором можно достичь наилучших показателей активности и селективности?».
Ученые обнаружили, что катализатор с соотношением палладия и цинка 2:1 не только существенно превосходит палладиевый по селективности, но и отличается повышенной активностью. Перед тем, как найти «идеальное» соотношение металлов, ученые протестировали множество соединений и проанализировали данные об их структуре, полученные на установках Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований.
Воспользоваться всеми преимуществами «цинковой добавки» было бы невозможно, если бы не удалось найти правильный носитель для активного компонента катализатора. Идеальным решением стал инновационный углеродный материал сибунит, разработанный сибирскими коллегами. Этот пористый носитель обладает высокой механической прочностью, развитой удельной поверхностью и инертен к активным компонентам катализатора (цинку и палладию).
«Переход на «цинковую добавку» обеспечивает не только значительное снижение стоимости катализатора, но и улучшение его ключевых рабочих характеристик, - пояснил Евгений Храмов. - Кроме того, мы предполагаем, что использование сибунита позволит увеличить срок эксплуатации за счет стабильной работы и эффективного подавления побочных реакций, продукты которых зачастую блокируют поверхность катализатора».
В настоящее время ученые проводят эксперименты по изучению стабильности нового катализатора в условиях, приближенных к промышленным. Для оценки структурных изменений в материале используется высокотехнологичное оборудование Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований.
В работе приняли участие специалисты НИЦ «Курчатовский институт», Центра новых химических технологий БИК СО РАН и Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН.
Справочно:
Процесс каталитического гидрирования ацетилена предназначен для
получения сверхчистого этилена, который далее используется в
полимерной индустрии. В настоящее время в российских промышленных
процессах широко распространены катализаторы гидрирования фирм
Süd-Chimie, CRI Kata Leune и BASF Catalysts.
