Ученые Томского политехнического университета и их зарубежные коллеги разрабатывают золотые катализаторы для переработки одного из главных побочных продуктов производства биотоплив — глицерина. Благодаря катализаторам на основе наночастиц золота, разрабатываемым в ТПУ, из глицерина можно получать ценные химические продукты, востребованные в медицине, сельском хозяйстве, косметической индустрии и многих других областях.

Участие в исследовании нанозолотых катализаторов принимают ученые из Университета Милана (Италия), Национального автономного университета Мексики, Института катализа и нефтехимии Мадрида (Испания), Университета Порто (Португалия).

Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в мае в научном журнале Current Organic Synthesis (IF 2, 05; Q3).

«Производство биотоплив является сегодня актуальным направлением во многих странах. Получают их из самых различных биомасс. В Латинской Америке, например,  это апельсиновые и мандариновые корки, банановая кожура. В США биотоплива получают из кукурузы, а в средней полосе России и Европе — из рапса. При переработке этих растений в биотопливо образуется большое количество глицерина, эфиры которого составляют основу растительных масел и жиров. Глицерин как отдельный продукт сегодня востребован в косметической индустрии, однако не настолько, насколько велики его объемы при получении биотоплив — многие тысячи тонн в год. В результате, невостребованный глицерин превращается в отходы, — описывает суть проблемы Алексей Пестряков, заведующий кафедрой физической и аналитической химии ТПУ. — Сейчас во всем мире много научных групп занято поиском решения этой проблемы: как превратить избыток глицерина в другие полезные продукты. Вместе с зарубежными коллегами мы предложили наши катализаторы на основе наночастиц золота».

Катализатор — это химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. При помощи катализаторов химики получают из тех или иных веществ требуемые им продукты.

Авторы исследования отмечают, что каталитическое окисление на золоте — один из наиболее эффективных методов для получения таких полезных продуктов из глицерина — альдегидов, эфиров, карбоновых кислот и других веществ.

«Все эти вещества являются продуктами тонкой органической химии и востребованы сегодня в самых различных отраслях — прежде всего, в фармацевтике, косметической индустрии. В сельском хозяйстве эти вещества можно применять в составе различных кормовых добавок, ветеринарных  препаратов, удобрений, средств для обработки растений и так далее.

Таким образом, невостребованный глицерин, после его переработки, получит большой спрос», — резюмирует Алексей Пестряков.

Золотые катализаторы — суперактивные. Они могут вступать в химические реакции с другими веществами при комнатной температуре (другие катализаторы необходимо нагревать), а в некоторых случаях даже при минусовых температурах. Однако катализатором золото может стать только на уровне наночастиц.

«Если взять кусочек золота, пусть даже очень небольшой, никаких химических реакций не произойдет. Для того, чтобы золото стало химически активным, размер его частиц должен быть меньше двух нанометров. Тогда-то оно и приобретает все свои удивительные свойства», — объясняет заведующий кафедрой физической и аналитической химии ТПУ.

Открыто золото как катализатор по меркам науки было совсем недавно — в начале 1990-х японскими учеными. И в этой области, отмечает Алексей Пестряков, сегодня еще существует целый ряд проблем.

«Например, какие-то катализаторы более активны, а какие-то менее, что сказывается на скорости химической реакции. Также у них бывает разная селективность — например, когда из того же глицерина, мы получаем больше альдегида и меньше кислоты, либо наоборот — в зависимости от нужд производства. И наш научный коллектив как раз ищет методы, как увеличить активность и селективность катализаторов из золота с  помощью различных добавок и химических обработок», — уточняет ученый ТПУ.

На сегодняшний день ученые ТПУ и их коллеги не единственные, кто занимается разработкой таких катализаторов.

От аналогов золотые катализаторы, разрабатываемые в Томском политехе, отличаются более высокой стабильностью (дольше сохраняют свою активность).

«Существенной проблемой в этой области является то, что золотые катализаторы очень быстро дезактивируются, причем не только при работе, но даже и при хранении. И наша задача — обеспечить более длительный срок их работы, — говорит Алексей Пестряков. — Также важное значение имеет использование в качестве окислителя кислорода, так как часто для подобных целей используются токсичные и коррозионно-активные пероксидные соединения».