Сотрудники научно-исследовательской лаборатории «Перспективные углеродные наноматериалы» Химического института им. А. М. Бутлерова Казанского федерального университета создали эффективный и недорогой катализатор на основе никеля для преобразования токсичного 4-нитрофенола в 4-аминофенол.
Фото: Getty Images
Фото: Getty Images
«Паранитрофенол (4-нитрофенол) является либо реагентом, либо побочным продуктом во многих реакциях органического синтеза. Он представляет серьезную опасность для окружающей среды. Паранитрофенол обычно превращают в гораздо менее токсичное вещество — парааминофенол (4-аминофенол), которое часто используется в органическом синтезе при производстве красителей и восстановителей»,— объяснил руководитель лаборатории Айрат Димиев.
Большинство катализаторов, необходимых для этой реакции, по словам ученого, созданы на основе драгоценных металлов, таких как платина или палладий, поэтому они имеют очень высокую стоимость. Научное сообщество сейчас активно занимается поиском дешевых, но не менее эффективных альтернатив.
«Никель всегда рассматривался как потенциальный заменитель этих драгоценных металлов в ряде реакций восстановления и гидрирования,— продолжает Айрат Димиев.— Обычно драгоценные металлы замещают в катализаторе на 30–40% более дешевым металлом, а мы заместили полностью. Разработанный нами на основе никеля катализатор в несколько раз дешевле традиционных, основанных на использовании драгоценных металлов».
Но не только это позволило ученым снизить стоимость созданного катализатора.
«Мы применили новый подход к синтезу катализатора. Он позволил нам уменьшить размер частиц металла до атомарного масштаба, значительно увеличив таким образом концентрацию активных центров на поверхности графеновой подложки при том же содержании металла. Здесь мы впервые соприкоснулись с активно развиваемой в последнее время областью single-atom catalysis — катализ одиночными атомами»,— сообщил Димиев.
Каждая частица (атом) созданного в КФУ катализатора нового поколения работает как отдельный катализатор, в то время как в обычных катализаторах, состоящих из наночастиц металлов, в реакцию вступают лишь атомы на поверхности наночастицы. Это ведет к дополнительному удорожанию катализатора.
«Важную роль в нашей разработке сыграл использованный нами в качестве подложки оксид графена. Это вещество имеет двумерную слоистую структуру, которая равномерно покрыта кислородосодержащими функциональными группами,— говорит первый автор статьи, студентка пятого курса Химического института им. А. М. Бутлерова КФУ Анна Свалова.— Именно эти кислородные группы оксида графена использованы нами для связывания никеля и удержания его на поверхности на атомарном уровне с целью предотвращения формирования более крупных наночастиц металла».
Катализатор продемонстрировал свою эффективность в реакции восстановления 4-нитрофенола до 4-аминофенола, причем ученым КФУ первыми удалось показать, что эта реакция может протекать в проточном реакторе, а не только в колбе.
Исследователи уверены, что катализатор будет эффективно работать во многих реакциях восстановления и гидрирования. В планах сотрудников лаборатории — протестировать его в реакциях, протекающих в водородных топливных элементах.
Использованы материалы статьи «Individual Ni Atoms on Reduced Graphene Oxide as Efficient Catalytic System for Reduction of 4-Nitrophenol»; Anna Svalova, Vasiliy Brusko, Elza Sultanova, Maria Kirsanova, Timur Khamidullin, Iskander Vakhitov, Ayrat M. Dimiev; журнал Applied Surface Science, август 2021 г.