Новый катализатор на основе золота побил десятилетний рекорд в «зеленой» химии

Ученые разработали новый катализатор на основе золота, который может сделать производство ацетальдегида — важного химического строительного блока — более чистым, дешевым и экологичным.

Ацетальдегид широко используется в современной промышленности, например, при производстве пластмасс и фармацевтических препаратов. Традиционный процесс его получения (окисление по Вакеру) является дорогим и наносит вред окружающей среде. Более устойчивой альтернативой считается окисление биоэтанола, однако большинство катализаторов для этой реакции сталкиваются с проблемой: при повышении активности падает селективность, и выход ацетальдегида не превышает 90%.

Более десяти лет назад исследователи Лю и Хенсен совершили прорыв, использовав катализатор Au/MgCuCr₂O₄. Он обеспечивал выход ацетальдегида более 95% при 250°C и сохранял стабильность свыше 500 часов. Однако задача создать безопасные, нетоксичные катализаторы, способные на аналогичные результаты при более низких температурах, оставалась нерешенной.

Новый прогресс связан с работой команды под руководством профессора Пэн Лю (Университет науки и технологий Хуачжун) и профессора Эмиля Й.М. Хенсена (Технологический университет Эйндховена). Исследователи создали серию катализаторов Au/LaMnCuO₃ с разным соотношением марганца и меди. Наилучшие результаты показал состав Au/LaMn_0.75Cu_0.25O₃, в котором наблюдается сильное синергетическое взаимодействие между наночастицами золота и перовскитной структурой LaMnO₃, легированной медью.

Этот катализатор превзошел давний эталон Au/MgCuCr₂O₄, достигнув 95%-ного выхода ацетальдегида уже при 225°C и сохранив стабильность в течение 80 часов.

Для объяснения высокой эффективности нового материала ученые провели детальные вычислительные исследования. Моделирование показало, что введение меди в перовскитную структуру создает высокоактивные участки рядом с частицами золота, которые облегчают реакцию между кислородом и этанолом. Оптимизированный катализатор также снижает энергетический барьер для ключевых стадий процесса.

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как точная настройка состава и структуры материала на атомном уровне позволяет решать давние технологические задачи. Прорыв в катализе, особенно в области «зеленой» химии, критически важен для снижения углеродного следа химической промышленности. Успех международной коллаборации китайских и нидерландских ученых вселяет оптимизм в отношении будущего устойчивых производственных процессов.