En kemist från RUDN syntetiserade nya katalysatorer med rutenium (Ru) nanopartiklar för att producera biobränsle från organiskt bioavfall. Nanokatalysatorer stödjer mer intensiva och ihållande reaktioner än de föreningar som för närvarande finns på marknaden. Resultaten av studien publicerades i ChemSusChem tidning.

Rafael Luque, en extern specialist från RUDN, arbetar med syntesen av gamma-valerolakton (GVL) tillsammans med sina kinesiska och spanska kollegor. Denna färglösa vätska kan fås från matavfall eller skörd av rester. GVL kan användas som ett säkert lösningsmedel eller en tillsats till bensin eller kan destilleras till kolväten, "grönt bränsle" för förbränningsmotorer.

Industriell användning av GVL hindras av två huvudfrågor. För det första, dess tillverkning involverar dyra katalysatorer. Marknadens nuvarande utbud består av ämnen baserade på ädelmetaller som rutenium. Andra, de tillgängliga katalysatorerna kan inte stödja en fördröjd reaktion.

Författarna till artikeln i ChemSusChem föreslog en lösning för båda problemen. De syntetiserade fyra nya katalysatorer baserade på titandioxidkristaller med 1 procent, 2 procent, 3 procent och 5 procents andel av ruteniumnanopartiklar (för närvarande, katalysatorerna innehåller över 5 procent). I en serie experiment, kemister letade inte bara efter de mest aktiva, men också den mest stabila katalysatorn som kan stödja en reaktion under lång tid.

Forskarna framställde GVL från hydrering av levulinsyra eller metyllevulinat i närvaro av olika katalysatorer, både nya (titandioxidbaserade) och tidigare kända. De testade också den katalytiska aktiviteten hos ren titandioxid, prova varje ämne under alla möjliga förhållanden. Forskarna ändrade temperaturen, volym katalysator, koncentrationen av det ursprungliga ämnet i lösningsmedlet, och hastigheten för inflödet till reaktorn.

Ren titandioxid visade sig inte ha någon katalytisk aktivitet. GVL syntetiserades från initiala substanser endast i närvaro av ruteniumnanopartiklar. Alla titandioxidbaserade katalysatorer som syntetiserades av forskarna var aktiva, men variationen med det högsta (5 procent) innehållet av nanopartiklar visade maximal effektivitet. I dess närvaro, reaktionen ägde rum i 98 procent av den ursprungliga substansen, och 97 procent av det användes för att syntetisera målprodukten (GVL).

Trots samma andel rutenium, Resultaten av tidigare kända katalysatorer var avsevärt lägre och experiment använde aldrig bioavfall med metyllevulinat. Till exempel, i närvaro av en kolbaserad ruteniumkatalysator ägde reaktionen rum i 83 procent levulinsyra, och endast 52 procent tilldelades GVL-syntes.

Hög stabilitet hos de nya katalysatorerna var en ännu viktigare upptäckt. Medan traditionella katalysatorer förlorade sin aktivitet två timmar efter reaktionens början, titandioxidbaserade ämnen förbättrade sina resultat inom denna tidsperiod. Katalysatorn med 5 procents andel ruteniumnanopartiklar överträffade de andra än en gång:GVL fortsatte att syntetisera kontinuerligt i över 24 timmar.

"Ett traditionellt sätt för GVL-syntes involverar korttidsreaktioner i batchreaktorer, säger Rafael Luque, professor vid Center for Molecular Design and Synthesis of Innovative Compounds for Medicine, och en extern specialist på RUDN. "Därför, det fanns inga katalysatorer för kontinuerlig GVL-produktion. Vi lyckades skapa en relativt billig, högeffektiv, och mycket stabilt katalytiskt system baserat på titandioxidkristaller. Potentialen hos de nya katalysatorerna är inte begränsad till GVL-syntes - vi planerar att använda dem i andra studier."