Модернизация биомассы селективными поверхностно-модифицированными катализаторами
banner
banner
banner
banner

Модернизация биомассы селективными поверхностно-модифицированными катализаторами

12
Upgrading biomass with selective surface-modified catalysts

Ученые разработали катализатор, состоящий из очень низких концентраций платины (отдельные атомы и кластеры размером менее миллиардных долей метра) на поверхности диоксида титана , Они продемонстрировали, как этот катализатор значительно увеличивает скорость разрыва конкретной углерод-кислородной связи для превращения производного растения (фурфурилового спирта) в потенциальное биотопливо (2-метилфуран). Их стратегия – описана в статье, опубликованной в Nature Catalysis в марте 23 – может применяться для разработки стабильных, активных и селективных катализаторов на основе широкого спектра металлов, нанесенных на оксиды металлов, для производства промышленно полезных химикатов и топлива из полученных из биомассы молекул.

«Для молекулы, чтобы произвести определенный продукт, реакция должен быть направлен по определенному пути, потому что возможны многие побочные реакции, которые не являются селективными для желаемого продукта », – пояснил соавтор Анибал Боскобойник, научный сотрудник в Центре функциональных наноматериалов (CFN) Интерфейсная группа по изучению и катализу в Брукхейвенская национальная лаборатория Министерства энергетики США. «Для превращения фурфурилового спирта в биотопливо связь между атомами углерода и кислорода на боковой группе, присоединенной к кольцеобразной части молекулы, должна быть разорвана без каких-либо реакций в кольце. Как правило, металлический катализатор, разрывающий эту связь также активирует реакции, связанные с кольцом. Однако катализатор, разработанный в этом исследовании, разрушает только углерод-кислородную связь боковой группы. “

Ароматические кольца – это структуры, атомы которых связаны одинарными или двойными связями. В молекулах, полученных из растительных отходов, ароматические кольца часто имеют кислородсодержащие боковые группы. Превращение производных растительных отходов в полезные продукты требует удаления кислорода из этих боковых групп путем разрыва специфических углерод-кислородных связей.

«Биомасса содержит много кислорода, который необходимо частично удалить, чтобы оставить больше полезных молекул для производства возобновляемого топлива, пластмасс и высокоэффективных смазочных материалов», – сказал соавтор Jiayi Fu, аспирант в Центре катализа энергетических инноваций (CCEI) в Университете штата Делавэр (UD). «Гидродезоксигенация, реакция, в которой водород используется в качестве реагента для удаления кислорода из молекулы, полезна для превращения биомассы в продукты с добавленной стоимостью».

В этом исследовании ученые предположили, что добавление благородных металлов к поверхностям умеренно восстанавливаемых оксидов металлов – тех, которые могут терять и приобретать атомы кислорода – будет способствовать гидродеоксигенации

«Удаление кислорода с поверхности оксида образует место закрепления, где молекулы могут удерживаться на месте, чтобы необходимые связи могли быть сломленным и сформированным, “сказал со-первый автор и аспирант UD CCEI Джонатан Лим. «Предыдущие исследования в сообществах катализаторов и полупроводников показали, сколько примесей может влиять на поверхность».

Upgrading biomass with selective surface-modified catalysts

Чтобы проверить свою гипотезу, команда выбрала платину в качестве благородного металла и диоксид титана (диоксид титана) в качестве оксида металла. Теоретические расчеты и моделирование показали, что образование кислородных вакансий является более энергетически выгодным, когда отдельные атомы платины вводятся на поверхность диоксида титана.

После синтеза платино-титанового катализатора в UD они провели различные исследования структурных и химических характеристик с использованием оборудования в Брукхейвенской и Аргоннской национальных лабораториях. В Центре электронной микроскопии CFN они получили изображения катализатора с высоким разрешением с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа. В Брукхейвенском национальном синхротронном источнике света II (NSLS-II) они использовали линию луча In situ и Operando Soft X-Ray Spectroscopy (IOS) и линию луча быстрого рентгеновского поглощения и рассеяния (QAS) для отслеживания химического состояния (окисления) из платины. Посредством дополнительных исследований рентгеновской спектроскопии в Аргоннском усовершенствованном источнике фотонов (APS) они определили расстояние между атомами в катализаторе.

«Эта работа является отличным примером того, как научные пользовательские объекты предоставляют исследователям дополнительную информацию, необходимую для понимания сложных материалов», – сказал директор CFN Чак Блэк. «CFN стремится к нашему партнерству с NSLS-II, чтобы позволить такого рода исследования ученых со всего мира».

Вернувшись в Делавэр, команда провела исследования реактивности, в которых они поместили катализатор и фурфуриловый спирт в реактор и обнаружили продукты с помощью газовой хроматографии, метода разделения аналитической химии. В дополнение к этим экспериментам они теоретически рассчитали количество энергии, необходимое для прохождения различных этапов реакции. На основании этих расчетов они запустили компьютерное моделирование для определения предпочтительных путей реакции. Моделированные и экспериментальные распределения продуктов показали, что пренебрежимо малые продукты кольцевой реакции образуются, когда присутствует низкая концентрация платины. Когда эта концентрация увеличивается, атомы платины начинают собираться в более крупные кластеры, которые вызывают кольцевые реакции.

«Дополнительные экспериментальные и вычислительные рамки позволяют детально понять, что происходит на поверхности очень сложного материала, таким образом, что мы можем обобщить концепции рационального конструирования катализаторов», – сказал Боскобойник. «Эти концепции могут помочь в прогнозировании подходящих комбинаций металлов и оксидов металлов для проведения желаемых реакций превращения других молекул в ценные продукты».

«Эта многопользовательская командная работа может быть активирована только в виде деятельности, подобной центру», – добавил соответствующий автор Дионисиос Влахос, кафедра химической инженерии UD Allan & Myra Ferguson.


0
Article Tags:

Оставьте комментарий

Интересное на сайте