Инновации

Научная группа кафедры физической химии химического факультета МГУ модифицировала катализатор метатезиса для получения важнейших соединений промышленности – этилена и пропилена. Ученым удалось увеличить конверсию вещества почти в 5 раз. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и опубликована в журнале Journal of Catalysis.

В последнее время мировой рынок остро ощущает недостаток в производстве пропилена. Больше всего он необходим для получения полимера – полипропилена. Благодаря свойствам полимера – его термической, химической и коррозионной устойчивости – мы можем встретить полипропилен на каждом шагу: от упаковочной пленки до шумоизоляции в квартире.

До недавнего времени пропилен получали в качестве одного из продуктов разложения нефти (крекинга). В 1970-х годах нефтехимические компании нескольких стран разработали установку, которая может превращать смесь этилена и бутилена в чистый пропилен и наоборот. Благодаря обратимости процесса всегда есть возможность сдвинуть равновесие в сторону продуктов или реагентов, изменяя условия реакции (давление, температуру). Главное, подобрать параметры процесса.

Основа установки – реакция метатезиса, которая выглядит как обмен фрагментами между двумя органическими соединениями с двойной связью. «Эта реакция очень важна для нас, – рассказал один из авторов работы, научный сотрудник кафедры физической химии химического факультета МГУ Александр Никифоров. – Ведь все классические способы получения чистых низших алкенов требуют больших капитальных затрат, а для процесса метатезиса расходы значительно меньше, чем для обычного нефтехимического крекинга. Кроме того, метатезис может быть внедрен в классические установки для крекинга, и на выходе мы получим этилен и пропилен, соотношение которых сможем варьировать в широких пределах, в зависимости от потребностей рынка».

Для проведения реакции обычно используют катализаторы на основе оксидов вольфрама, рения и молибдена. Последние наиболее перспективны, так как обладают большей стабильностью по сравнению с другими и довольно высокой активностью. Очень важную роль играет и подложка, на которую наносится соединение металла. Классический вариант для подложки – оксид алюминия Al2O3. Совокупность двух оксидов предоставляет множество каталитических центров с разной активностью и кислотностью. И основная задача – подобрать параметры системы или модифицировать катализатор так, чтобы повысить показатели реакции. Однако сейчас большинство установок для крекинга нефти перешли на производство этилена (которого нужно тоже очень много), из-за чего возникла нехватка пропилена.

Научная группа химиков МГУ нашла интересное решение: они добавили в каталитическую систему фтор, который заменил некоторые гидроксильные группы на поверхности оксида алюминия. Модификация изменила характеристики катализатора и, следовательно, его эффективность. Ученые провели серию опытов с различными количествами фтора, и в результате получили наиболее удачные условия синтеза – конверсия возросла в 4,7 раз, а показатель селективности (доля нужной реакции) остался на высоком уровне – 95%.

Хотя открытие нового катализатора уже может сэкономить промышленникам огромные деньги, в планах научной группы – исследовать системы с фтором более подробно. «Мы отработали методику, и теперь мы можем нарастить объем экспериментов на базе того, что мы уже знаем, – поделился соавтор работы, сотрудник кафедры физической химии химического факультета МГУ Евгений Чесноков. – Так как нам известен наиболее вероятный результат, мы углубимся в изучение механизма работы фторированных катализаторов. Также мы планируем исследовать влияние других модификаторов, чтобы сделать катализатор ещё лучше».