Цеолиты относятся к числу веществ, которые могут ускорять химические реакции - они известны как катализаторы. Обычно применяемый в виде гранул, промышленное производство бензина из сырой нефти без цеолитов сегодня немыслимо. На их поверхности происходят химические реакции. К счастью, для цеолитов они очень велики: катализаторы перемежаются наноразмерными порами и микроскопическими каналами, через которые проникают газообразные или жидкие реагенты, а продукты позже могут уйти.
Одной из основных промышленных проблем, связанных с использованием цеолитов, является то, что побочные продукты реакции закупоривают поры или блокируют активные центры катализатора. Специалисты называют такие залежи углеводородов «коксом». Следовательно, производство необходимо прерывать через регулярные промежутки времени, чтобы сжечь мусор, образовавшийся в катализаторе, тем самым регенерируя последний. Это снижает эффективность процесса.
Все зависит от внутренней структуры
Исследователи работают над тем, чтобы сделать цеолитные катализаторы более устойчивыми к таким отложениям, тем самым отсрочив необходимость регенерации и тем самым удлинив производственные циклы. Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха во главе с Хавьером Пересом-Рамиресом, профессором катализной инженерии, определили связь между этим сопротивлением и внутренней структурой нового класса цеолитных катализаторов, сочетающих сложную сеть пор различного размера: «Это не только об обеспечении наибольшего количества пор, как считалось ранее», - говорит Шарон Митчелл, исследователь группы Перес-Рамирес. «Скорее важно, чтобы наноразмерные каналы были хорошо связаны внутри цеолитных катализаторов и имели многочисленные отверстия наружу. Это облегчает проникновение химических соединений в катализатор даже при закупорке некоторых пор.
Исследователи пришли к такому выводу, приготовив в лаборатории катализаторы с различной структурой пор. Для этого они использовали различные методы и условия синтеза. Впоследствии катализаторы были изучены в сотрудничестве с Паоло Кривелли, научным сотрудником физического факультета, с помощью спектроскопии времени жизни аннигиляции позитронов (PALS). Этот метод измеряет, как долго позитроны находятся внутри катализатора. Чем более связаны поры и чем больше отверстий, тем быстрее позитроны могут покинуть цеолит. Кроме того, в своей лаборатории ученые оценили, насколько быстро на различных цеолитных катализаторах образуются отложения кокса.
Не только лучше, но и дешевле
«Интересно, что метод, с помощью которого мы могли производить наиболее устойчивые цеолиты, был также и самым дешевым», - говорит Перес-Рамирес. Он ожидает, что результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, вдохновят промышленность на внедрение их технологии производства цеолитов.
Цеолитовые катализаторы в настоящее время широко используются в нефтяной промышленности для производства высококачественных топлив, топлива и сырья для химической промышленности. С одной стороны, большие молекулы углеводородов в сырой нефти можно разбить на более полезные молекулы среднего размера. С другой стороны, цеолиты также можно использовать для связывания очень мелких углеводородов, таких как этен и пропен, для получения продуктов более высокого качества со средней длиной цепи. «Даже когда нефть постепенно заменят возобновляемым сырьем, таким как биомасса, цеолитные катализаторы сохранят свое значение», - говорит Перес-Рамирес. Базовые химикаты премиум-класса можно эффективно производить с использованием цеолитных катализаторов.