Метанол является одним из наиболее важных основных химических веществ, используемых, например, для производства пластмасс или строительных материалов. Чтобы сделать производственный процесс еще более эффективным, было бы полезно узнать больше о катализаторе на основе меди/оксида цинка/оксида алюминия, используемом в производстве метанола. Однако до сих пор не удалось проанализировать структуру его поверхности в условиях реакции. Команде из Рурского университета Бохума (RUB) и Института преобразования химической энергии им. Макса Планка (MPI CEC) удалось получить представление о структуре его активного центра. Исследователи описывают свои выводы в журнале Nature Communications от 4 августа 2020 года.
Во-первых, команда показала, что цинковый компонент активного центра заряжен положительно и что катализатор имеет до двух активных центров на основе меди. «Состояние цинкового компонента в активном центре было предметом противоречивых дискуссий с тех пор, как катализатор был представлен в 1960-х годах. Основываясь на наших выводах, теперь мы можем вывести множество идей о том, как оптимизировать катализатор в будущем», - подчеркивает он. Профессор Мартин Мюлер, заведующий кафедрой промышленной химии RUB и научный сотрудник Макса Планка MPI CEC. В этом проекте он сотрудничал с исследователем из Бохума доктором Даниэлем Лауденшлегером и исследователем из Мюльхайма доктором Хольгером Руландом.
Устойчивое производство метанола
Исследование было включено в проект Carbon-2-Chem, целью которого является сокращение выбросов CO2 за счет использования металлургических газов, образующихся при производстве стали, для производства химикатов. В сочетании с водородом, полученным электролитическим путем, металлургические газы также могут служить исходным материалом для устойчивого синтеза метанола. В рамках проекта Carbon-2-Chem исследовательская группа недавно изучила, как примеси в металлургических газах, которые образуются на коксовых заводах или в доменных печах, влияют на катализатор. Это исследование в конечном итоге проложило путь к пониманию структуры активного сайта.
Активный сайт отключен для анализа
Исследователи идентифицировали азотсодержащие молекулы - аммиак и амины - как примеси, действующие как каталитические яды. Катализатор дезактивировали, но не навсегда: если примеси исчезают, катализатор восстанавливается сам. Используя уникальный исследовательский аппарат собственной разработки, то есть проточный аппарат непрерывного действия со встроенным импульсным блоком высокого давления, исследователи пропускали аммиак и амины по поверхности катализатора, временно дезактивируя активный центр цинковым компонентом. Несмотря на то, что цинковый компонент был дезактивирован, на катализаторе все еще происходила другая реакция, а именно превращение этилена в этан. Таким образом, исследователи обнаружили второй активный центр, работающий параллельно, который содержит металлическую медь, но не содержит цинкового компонента.
Поскольку аммиак и амины связаны с положительно заряженными ионами металлов на поверхности, было очевидно, что цинк, как часть активного центра, несет положительный заряд.