Импортозамещающие катализаторы для «зеленой химии» разработали ученые Университета Лобачевского
Специалисты Научно-исследовательского института химии Университета Лобачевского (ННГУ) разработали новые отечественные катализаторы для синтеза циклокарбонатов — ключевых соединений для фармацевтической промышленности, «зеленой химии», нефтепереработки и производства литий-ионных аккумуляторов. Новая технология направлена на удешевление и упрощение процесса получения циклокарбонатов.
«Мы научились перерабатывать CO2 в полезные продукты. Если говорить в общем, CO2 — не такой уж токсичный и опасный газ, но его слишком много в атмосфере, и это значительно усугубляет проблему загрязнения парниковыми газами. Мы берем углекислый газ (CO2) и перерабатываем его в циклические карбонаты. В последнее время они набирают большую популярность, так как очень полезны, например, в качестве растворителей или компонентов для литий-ионных аккумуляторов. Сам процесс, конечно, не протекает произвольно, для этого нам нужен катализатор. То есть мы помогаем реакции протекать намного быстрее и качественнее, чтобы получать более чистые продукты с высоким выходом. В нашем случае это полимеры, имеющие каталитические центры — такие каталитические губки, с помощью которых мы и ведем переработку», — рассказала корреспонденту «Научной России» автор исследования, младший научный сотрудник лаборатории инженерной химии НИИ химии ННГУ им. Н.И. Лобачевского Анна Андреевна Головачева.
В основе разработки лежит использование пористых полимеров с ионными группами, которые выступают высокоэффективными катализаторами. Они позволяют проводить реакцию соединения эпоксидов с углекислым газом в более мягких условиях, значительно снижая необходимое давление и температуру, а также повышая выход целевого продукта до 80% и более.
Анна Головачева о применении экологичных катализаторов (Видео)
«У нас есть два типа катализаторов. Первые — это полимеризованные ионные жидкости. Они имеют относительно небольшую площадь поверхности, но очень большое количество активных центров. Второй тип — это сверхсшитые ионные полимеры. Их площадь поверхности уже в 10-20 раз больше — около 500 м²/кг, но, к сожалению, там намного меньше активных центров. Таким образом, первый тип катализаторов нужен нам для интенсификации процесса, чтобы сделать его намного быстрее. Второй тип катализаторов позволяет сделать процесс, например, более проточным, так как они хорошо пропускают большие объемы газа и также эффективно работают», — объяснила ученая.
Существующие промышленные катализаторы, такие как соли аммония или металлоорганические комплексы, часто имеют высокую стоимость, экологические риски и чувствительны к условиям реакции. Предложенные нижегородскими химиками полимерные аналоги являются более безопасной, простой в производстве и многоразовой альтернативой, что критически важно для масштабирования технологии.
«Экологическая безопасность катализаторов заключается, во-первых, в отсутствии металлов. Металлы могут выщелачиваться, загрязнять продукт, источники воды и в целом влиять на весь процесс. У нас же металлов нет, активные центры плотно связаны ковалентными связями с матрицей полимера, они никуда не выходят и остаются внутри. Во-вторых, наши полимеры не требуют особых условий для работы. Нам не нужна инертная атмосфера, наличие влаги не оказывает критического влияния, нет необходимости в сверхвысоких давлениях или температурах. Все должно быть очень четко выверено, чтобы система работала. У нас же условия реакции более мягкие, что тоже является плюсом к экологичности. Опять же, низкое энергопотребление снижает и выбросы CO2, уменьшая нагрузку на природу. Кроме того, оператору на производстве работать безопаснее, так как не требуется соблюдать жесткие условия: температура и давление низкие», — подвела итог А.А. Головачева.
В настоящее время ученые продолжают изучение физико-химических свойств новых катализаторов. Следующим этапом станет апробация технологии в условиях реального промышленного производства. Результаты работы, поддержанной грантами Российского научного фонда номер 24-79-10144 и Фонда содействия инновациям, опубликованы в международном журнале Industrial & Engineering Chemistry Research.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.
Фотография предоставлена пресс-службой ННГУ (фотограф Андрей Скворцов)
Корреспондент: Никита Ланской