Ordning for gamma-valerolactonproduktion. Kredit:RUDN University
En kemiker fra RUDN syntetiserede nye katalysatorer med ruthenium (Ru) nanopartikler til fremstilling af biobrændstof fra organisk bioaffald. Nanokatalysatorer understøtter mere intensive og vedvarende reaktioner end de forbindelser, der i øjeblikket er tilgængelige på markedet. Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i ChemSusChem tidsskrift.
Rafael Luque, en ekstern specialist fra RUDN, arbejder på syntesen af gamma-valerolacton (GVL) sammen med sine kinesiske og spanske kolleger. Denne farveløse væske kan fås fra madaffald eller høst af rester. GVL kan bruges som et sikkert opløsningsmiddel eller et additiv til benzin eller kan destilleres til kulbrinter, "grønt brændstof" til forbrændingsmotorer.
Industriel brug af GVL hindres af to hovedproblemer. Først og fremmest, dets fremstilling involverer dyre katalysatorer. Nuværende markedsforsyning består af stoffer baseret på ædle metaller som ruthenium. Sekund, de tilgængelige katalysatorer er ikke i stand til at understøtte en vedvarende reaktion.
Forfatterne til artiklen i ChemSusChem foreslog en løsning på begge spørgsmål. De syntetiserede fire nye katalysatorer baseret på titandioxidkrystaller med 1 procent, 2 procent, 3 procent og 5 procent andel af ruthenium nanopartikler (pt. katalysatorerne indeholder over 5 procent). I en række forsøg, kemikere ledte ikke kun efter de mest aktive, men også den mest stabile katalysator, der er i stand til at understøtte en reaktion i lang tid.
Forskerne forberedte GVL fra hydrogenering af levulinsyre eller methyl levulinat i nærvær af forskellige katalysatorer, både nye (titandioxidbaserede) og tidligere kendte. De testede også den katalytiske aktivitet af rent titandioxid, prøve hvert stof under alle mulige forhold. Forskerne ændrede temperaturen, katalysatorvolumen, koncentration af det oprindelige stof i opløsningsmidlet og tilstrømningshastigheden i reaktoren.
Ren titandioxid viste sig ikke at have nogen katalytisk aktivitet. GVL blev kun syntetiseret fra initialstoffer i nærvær af ruthenium -nanopartikler. Alle titandioxid-baserede katalysatorer syntetiseret af forskerne var aktive, men variationen med det højeste (5 procent) indhold af nanopartikler viste maksimal effektivitet. I dets nærvær, reaktionen fandt sted i 98 procent af det oprindelige stof, og 97 procent af det blev brugt til at syntetisere målproduktet (GVL).
På trods af den samme andel af ruthenium, resultaterne af tidligere kendte katalysatorer var betydeligt lavere, og forsøg anvendte aldrig methyl levulinat bioaffald. For eksempel, i nærvær af en carbonbaseret rutheniumkatalysator fandt reaktionen sted i 83 procent af levulinsyre, og kun 52 procent blev allokeret til GVL -syntese.
Høj stabilitet af de nye katalysatorer var en endnu vigtigere opdagelse. Mens traditionelle katalysatorer mistede deres aktivitet to timer efter reaktionens start, titandioxidbaserede stoffer forbedrede deres resultater inden for denne tidsperiode. Katalysatoren med en andel på 5 procent af ruthenium -nanopartikler bestod de andre igen:GVL blev ved med at syntetisere kontinuerligt i over 24 timer.
"En traditionel måde for GVL-syntese involverer kortsigtede reaktioner i batchreaktorer, "siger Rafael Luque, professor i Center for Molekylært Design og Syntese af innovative forbindelser til medicin, og en ekstern specialist hos RUDN. "Derfor, der var ingen katalysatorer til kontinuerlig GVL -produktion. Det lykkedes os at skabe en relativt billig, yderst effektiv, og et meget stabilt katalytisk system baseret på titandioxidkrystaller. Potentialet i de nye katalysatorer er ikke begrænset til GVL -syntese - vi planlægger at bruge dem i andre undersøgelser. "