Сотрудники ФИЦ «Институт катализа им Г.К. Борескова СО РАН» при поддержке Российсского научного фонда создали катализаторы для производства изобутилена — популярного компонента для химической промышленности.

Им удалось решить проблемы дороговизны и токсичности, которые есть в существующих системах. Доля выхода изобутилена составила рекордные 45 %. Эта разработка актуальна в условиях снижения отечественного рынка производства изобутилена.

Ситуация на рынке

Изобутилен — один из самых востребованных продуктов для химической промышленности. На его основе производят растворители, аэрозоли, хладагенты, полимеры, повышают качество топлив, производят другие ценные для химпрома компоненты.

Объём мирового рынка изобутилена и его производных растёт: в 2023 году он оценивался в $28,6 млрд, а к 2030 году прогнозируется достижение $38,9 млрд. Среднегодовой темп роста — 4,5 %.

Несмотря на мировой рост, в России наблюдается обратная ситуация — из-за ковидных трудностей и последующих санкций объём производства снизился с 2019 года на 30 %. Особенно сильно это сказалось на бутилкаучуке — ключевом компоненте для автомобильной промышленности. В связи с этим, отечественные технологии получения изобутилена критически важны.

Оксид циркония — доступный и нетоксичный

Сейчас в производстве изобутилена методом дегидрирования изобутана используют два типа катализатора — на основе платины и хрома. И у них есть заметные недостатки.

«Платиновые катализаторы обладают достаточно высокой стоимостью, тогда как хромсодержащие катализаторы высокотоксичны. Поэтому исследователи прикладывают значительные усилия в поиске новых эффективных и в то же время недорогих и экологически безопасных катализаторов дегидрирования», — рассказывает младший научный сотрудник отдела гетерогенного катализа ИК СО РАН Александр Нашивочников.

И тут, по словам учёного, «на сцену выходит» оксид циркония. Долгие годы его исследовали в дегидрировании, но в качестве носителя катализатора. И совсем недавно было обнаружено, что он проявляет собственную высокую активность, не уступая промышленным катализаторам, но при этом доступен и не токсичен.

Оксид циркония интересен тем, что работает сам по себе — ему не нужен носитель. Он активен за счёт кислородных вакансий — чем больше активных центров дегидрирования, тем он эффективнее работает. Исследователи с помощью лазера синтезировали в восстановительной атмосфере системы с увеличенным числом кислородных вакансий, запустили реакцию дегидрирования изобутана и получили один из самых высоких описанных в литературе результатов — 45 % выхода изобутилена.

«Лазером катализатор пока ещё никто не синтезировал. Мы занимаемся дизайном наноматериалов, и собираем и разбираем наши системы как кубики. Мы решили попробовать испарить материал в восстановительной атмосфере и создать как можно больше нужных нам кислородных вакансий. И это дало результат: очень большой рост активности катализатора, полученного в атмосфере гелия и водорода», — отмечает учёный.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 24-23-20066) и Правительства Новосибирской области.

Источник: ИК СО РАН.