Международная группа ученых раскрыла секрет катализатора на основе золота, который отвечает за новый, экологически чистый метод производства мономера винилхлорида (ВХМ), который используется для производства поливинилхлорида (ПВХ). третий по распространенности пластик в мире.
Используя методы синхротронной спектроскопии и передовую электронную микроскопию, исследователи определили, что изолированные ионы золота наиболее эффективно превращают ацетилен, газ, полученный из угля, в молекулы ВХМ, которые впоследствии могут быть связаны с образованием ПВХ.
Их открытие произошло на фоне попыток заменить традиционный метод конверсии ацетилена, в котором используется летучий и потенциально токсичный ртутьсодержащий катализатор, более стабильным, экологически чистым методом, в котором используется золотой катализатор на углеродном носителе.
Исследователи из Соединенного Королевства и Соединенных Штатов сообщили о своих выводах в журнале Science в статье под названием «Идентификация одноцентрового катализа золота в гидрохлорировании ацетилена».
Ведущий автор статьи - Грация Мальта из Института катализа Кардиффа при Университете Кардиффа в Великобритании, которой руководил Грэм Дж. Хатчингс, директор института. Участниками исследования из Университета Лихай были Кристофер Дж. Кили, профессор материаловедения и химического машиностроения, и Ли Лу, доктор философии. кандидат материаловедения. Кили также является содиректором Кардиффского института катализа.
Группа исследовала катализаторы до и после использования в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе (STEM) JEOL JEM-ARM200CF компании Lehigh с коррекцией аберраций, который является одним из самых мощных инструментов в своем роде и позволяет проводить визуализацию и химический анализ материалов. на атомном уровне.
Группа также провела эксперименты по расширенной тонкой структуре рентгеновского поглощения (EXAFS) и рентгеновскому поглощению вблизи края (XANES) с использованием алмазного синхротрона в Великобритании для изучения катализатора в рабочих условиях реакции.
"Эти эксперименты помогли нам определить, что атомарно-дисперсное золото, где атомы разделены на углеродном носителе и не соприкасаются, является идеальной формой катализатора для этой реакции", - говорит Кили.
"Они также показали нам, что для того, чтобы произошла конверсия, необходимо, чтобы атомы золота были ионизированы, то есть чтобы в них не было некоторых электронов".
Во главе с Ричардом А. Кэтлоу из Института катализа Кардиффа и Университетского колледжа Лондона группа также теоретически смоделировала реакцию с использованием изолированных ионов золота и подтвердила экспериментальные результаты.
«Ученым известно, что можно использовать атомарно диспергированное золото в гомогенных катализируемых реакциях, проводимых в растворе», - говорит Кили. «Здесь нам удалось закрепить атомарно-дисперсное золото на твердой основе и добиться аналогичного эффекта».
Кили и Хатчингс, которые сотрудничали в течение нескольких десятилетий, сообщили в статье в журнале Nature Communications в прошлом году, что для другой реакции, а именно низкотемпературного окисления монооксида углерода в диоксид углерода, используется другое золотое соединение - ультра- небольшие кластеры, состоящие из нескольких атомов золота, были наиболее активными частицами.
Результаты обоих этих проектов помогут Кили и Хатчингсу разработать и оптимизировать каталитические системы на основе золота для использования в других важных реакциях, таких как реакция конверсии водяного газа, которая генерирует водород.
ПВХ стал неотъемлемой частью современной жизни. Его приложения включают строительные трубы, кредитные карты, оконные и дверные рамы, сантехническое оборудование и изоляцию электрических кабелей.
Помимо гидрохлорирования ацетилена, молекула ВХМ, предшественник ПВХ, может быть получена из этилена, побочного продукта нефтепереработки, который также можно выделить из природного газа. Но гидрохлорирование ацетилена остается преобладающим способом производства ПВХ в некоторых странах, располагающих большими запасами угля.
Чтобы превратить полученный из угля ацетилен в прекурсор ВХМ, говорит Кили, инженеры-химики в течение последних пятидесяти лет подвергали его реакции с соляной кислотой (HCl) в присутствии хлорида ртути в качестве катализатора. Но катализатор летуч при температурах реакции, что позволяет токсичной ртути испаряться, попадать в окружающую среду и загрязнять сельскохозяйственные угодья и водоемы.
В начале 1980-х годов Хатчингс показал, что для превращения ацетилена в ВХМ можно использовать более безопасный золотой катализатор на углеродном носителе. Его открытие привлекло некоторое внимание в то время, но не использовалось в коммерческих целях, поскольку для катализатора требовалось относительно большое количество дорогого золота, и он был не очень стабилен..
В 2007 г. Johnson Matthey, глобальная компания по производству специальных химических веществ, базирующаяся в Великобритании, заинтересовалась результатами Хатчингса и начала работать над созданием стабильного катализатора на основе золота на угле с использованием меньшего количества золота. Компания разработала катализатор под названием Pricat MFC, который в настоящее время используется в коммерческих целях на крупном китайском заводе по производству ПВХ. Китай, крупнейший в мире производитель и потребитель ПВХ, по-прежнему использует уголь для производства продукта ВХМ.
Между тем, Минаматская конвенция о ртути 2013 года, которую подписали почти 140 стран, запрещает строительство новых заводов по производству винилхлорида, использующих хлорид ртути, после 2017 года и требует, чтобы к 2022 году все заводы по производству винилхлорида не использовали ртуть.
Ранняя работа Хатчингса, усилия Джонсона Матти по коммерциализации и самое последнее открытие атомного масштаба работы золотого катализатора на углеродном носителе, по словам Кили, дают основания надеяться, что цели Минаматской конвенции могут быть достигнуты. быть достигнуто.
Они также представляют собой почти беспрецедентное достижение в области катализа.
«Ученые постоянно корректируют и оптимизируют рецептуры катализаторов, - говорит Кили. «Но я впервые за 50 лет могу вспомнить, когда мы заменили стандартный отраслевой катализатор, используемый в основной реакции, совершенно другой каталитической системой."