9 августа 2022
Ученые Института катализа СО РАН и Института неорганической химии СО РАН исследовали реакцию получения водорода из муравьиной кислоты при участии катализатора, содержащего углеродные нанотрубки, золото и кукурбитурил — органическое соединение, которое из-за формы его молекулы называют молекулой-тыквой. Результаты исследования показали, что кукурбитурил совместно с золотом позволил снизить температуру реакции на 110 °С, а селективность образования водорода составила 99,5%.
Кукурбитурил — макроциклическое органическое соединение, состоящее из углерода, водорода, азота и кислорода. По своей форме молекула кукурбитурила (от лат. Cucurbitaceae — тыквенные, — прим. ред.) напоминает тыкву. Это соединение очень стабильно — оно устойчиво к высоким температурам, щелочам и кислотам. Тем не менее оно редко используется в каталитических реакциях.
Ученые Института неорганической химии СО РАН (ИНХ СО РАН) синтезировали системы, состоящие из одностенных углеродных нанотрубок, внутрь которых были помещены кукурбитурилы и высокодисперсное золото. Специалисты Института катализа СО РАН (ИК СО РАН) проверили каталитическую активность полученных композитов в реакции разложения муравьиной кислоты на водород и углекислый газ.
«Мы пришли к выводу, что сам кукурбитурил в углеродных нанотрубках обладает каталитической активностью, хотя и не слишком высокой. Но когда он работает совместно с золотом, то катализатор становится более активным, так как температура реакции падает с 300 °С до 200 °С. Селективность образования водорода достигает 99,5%. Результаты по каталитической активности кукурбитурила получены впервые», — рассказывает автор исследования, старший научный сотрудник Института катализа СО РАН, кандидат химических наук Дмитрий Булушев.
Молекула кукурбитурила и изображение сэндвичевой структуры золота внутри углеродной нанотрубки (снимок получен профессором А. Чувилиным (NANOGUNE, San Sebastian, Spain))
По словам Булушева, в ИНХ СО РАН провели расчеты, где показали, что муравьиная кислота активируется с участием основных карбонильных групп кукурбитурила. От гидроксильной группы молекулы муравьиной кислоты отрывается атом водорода, а оставшийся формиат стабилизируется на стенке кукурбитурила, и если рядом есть золото, то оно превращает формиат в водород и СО2. Таким образом, превращение муравьиной кислоты в присутствии кукурбитурила существенно облегчается.
В ходе исследования ученые отметили, что в процессе разложения муравьиной кислоты при участии кукурбитурила в углеродных нанотрубках образуются необычные сэндвичевые структуры из золота. Дмитрий Булушев отмечает, что эти структуры могут являться активными в превращении формиатов.
Ученые планируют продолжить исследование и изучить превращение муравьиной кислоты с использованием композитов на основе других носителей. Результаты этой работы опубликованы в журнале Materials Today Energy (IF=9.257).
