Ученые Института катализа СО РАН приступили к исследованию механизмов ароматизации легких алкенов с участием цеолитов — кристаллических нанопористых материалов, которые являются перспективными катализаторами нефтехимии. Исследование позволит получить данные для дальнейшего целенаправленного дизайна катализаторов превращения алкенов в моноароматические углеводороды — ценное химическое сырье, которое применяется в производстве широкого набора продуктов, от растворителей до элементов электроники.

Объем производства легких алкенов, к которым относятся этилен и пропилен, в России ежегодно растет. Из алкенов можно получать простые ароматические углеводороды, такие как бензол, толуол, ксилолы и этилбензол, а они, в свою очередь, используются при производстве полимеров, пластмасс, растворителей, красок, комплектующих материалов электроники. 

Цеолитные катализаторы традиционно используются в нефтехимии. Это природные или синтетические твердые материалы, алюмосиликаты, особенность которых – наличие наноразмерных полостей и каналов строго определенной геометрии. Цеолиты обладают важным в плане катализа свойством — молекулярно-ситовым эффектом: когда размер молекул участвующих в реакции веществ сопоставим с размером пор, в которых происходят химические превращения, то можно получить очень высокую селективность (способность катализатора избирательно увеличивать скорость целевой реакции – прим.) по нужному реагенту и продукту. Несмотря на то, что эти материалы давно применяются для переработки углеводородного сырья, свойства металл-модифицированных цеолитов применительно к активации и каталитическому превращению легких алкенов изучены недостаточно.

Ученые из Института катализа СО РАН при поддержке Российского научного фонда решили изучить на фундаментальном уровне механизмы ароматизации этилена и пропилена на цеолите ZSM-5. В ходе исследования ученые модифицируют образцы цеолита катионными или оксидными частицами меди, цинка и серебра, чтобы выяснить, каким образом активные металлические центры участвуют в реакциях превращения алкенов.

«Пока у нас недостаточно данных, чтобы понять, как получить цеолитный катализатор с заданными свойствами, чтобы он был одновременно активным и селективным для превращения легких алкенов в целевой химический продукт. Мы хотим на фундаментальном уровне, т.е. на уровне химического взаимодействия молекул реагентов с активными центрами катализатора, разобраться, как действуют металл-модифицированные цеолиты, чтобы из алкенов получать ароматические соединения с высокой эффективностью и минимумом побочных реакций. Если нам будет понятен механизм превращения хотя бы в общих чертах, потенциально это позволит с точки зрения практического применения определить, как и какой катализатор необходимо приготовить, чтобы он вел нашу реакцию так, как надо», — рассказал научный сотрудник Института катализа СО РАН, к.х.н. Антон Габриенко.

В работе используются методы спектроскопии ЯМР высокого разрешения в твердом теле, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье и теории функционала плотности. Ожидаемые результаты помогут в перспективе целенаправленно создавать катализаторы с необходимыми свойствами для эффективной переработки углеводородного сырья в моноароматические соединения.