Новости химической науки > Катализатор превращает биомассу в моторное топливо

Благодаря новому катализатору, разработанному исследователями из США, получение дешевого моторного топлива из биомассы стало на шаг ближе. Катализатор, состоящий из наночастиц металла и углеродных нанотрубок, находится на границе раздела фаз между водной и масляной фазами, и может оказаться весьма полезным для превращения сырой биомассы в моторное топливо.

Углеродные нанотрубки (белые), выращенные на поверхности металлооксидных наночастиц (оранжевые). Частицы перемещаются к границам раздела фаз масло-вода, где введение палладия (желтый) позволяет получить катализатор, работающий в обеих фазах. (Рисунок из Science, 2009, 327, 68)

Ежегодно производится большие количества биомассы, как, например, отходы растительного материала от сельского хозяйства, производства бумаги и биоразлагаемые бытовые отходы. Такие смеси при нагревании могут образовывать вязкую жидкость, известную как «бионефть» («bio-oil»), требующую дальнейшей очистки перед непосредственным применением.

Первоначальный состав бионефти определяется соединениями, которые являются производными целлюлозы и лигнина, для использования в качестве топлива их необходимо подвергнуть восстановлению для понижения содержания кислорода. Однако проведение таких процессов осложняется тем, что в бионефти содержатся значительное количество воды, способствующее образованию эмульсии вода-масло. Меньшие по размеру органические молекулы содержатся в водной фазе, а большие – в органической.

Исследователи под руководством Дэниела Ресаско (Daniel Resasco) из Университета Оклахомы решили проблему переработки бионефти, разработав катализатор, самопроизвольно локализующийся на границе раздела фаз между водным и органическим слоем и одновременно ускоряющий протекание реакции в обоих слоях. Катализатор представляет наночастицы из оксида магния, связанные между собой углеродными нанотрубками.

Наночастицы из оксида магния гидрофильны и локализуются в водной фазе, а углеродные нанотрубки – липофильны и локализуются в органической фазе. Ресаско поясняет, что со стороны наночастиц, ориентированных в водную фазу, к системе можно ввести катализатор конденсации, способствующий образованию связей углерод-углерод и удлинению углеродной цепи. При значительном удлинении цепи растворимость органических соединений в воде понижается, и они перемещаются в неполярную фазу.

В структуру нового катализатора также интегрированы наночастицы палладия, которые способствуют дезоксигенированию органических соединений и образованию углеводородов, приближая состав перерабатываемой бионефти к составу обычных моторных топлив. Разработанная каталитическая система находится в твердой фазе и может быть легко отфильтрована и использована повторно.

Роберт Браун (Robert Brown), эксперт по биотопливу из Университета Айова отмечает, что работа представляет собой важный шаг вперед в области получения углеводородного топлива из биомассы, замечая, однако, что исследование находится еще на начальном этапе. Он отмечает, что при переходе от моделирующих бионефть эмульсий к реальной бионефти некоторые примеси могут отравить катализатор, закупорив его поры.

Однако Браун уверен, что у нового каталитического процесса впереди большие перспективы. Он заявляет, что весьма заманчиво получать моторное топливо из бионефти, а проведенный недавно экономический анализ показал, что получение аналогов бензина из бионефти является гораздо более выгодным процессом с экономической точки зрения, чем представлялось ранее.

Дэвид Коул-Гамильтон (David Cole-Hamilton) из Университета Св. Андрея считает что необычная функциональность катализатора может найти применение и для получения других соединений. Он полагает, что вместо повторяющихся циклов реакция-разделение продукты реакции могут просто переходить между слоями воды и липофильного растворителя в результате последовательно протекающих реакций.

Источник: Science, 2009, 327, 68, DOI: 10.1126/science.1180769

метки статьи: #кинетика и катализ, #нанотехнологии, #новые материалы, #химическая технология, #химия поверхности