Используя методы синхротронной спектроскопии и передовую электронную микроскопию, исследователи определили, что изолированные ионы золота наиболее эффективно превращают ацетилен, газ, полученный из угля, в молекулы VCM, которые впоследствии могут быть связаны с образованием ПВХ.Их открытие произошло на фоне попыток заменить традиционный метод конверсии ацетилена, в котором используется летучий и потенциально токсичный ртутьсодержащий катализатор, на более стабильный, экологически чистый метод, в котором используется золотой катализатор на углеродной подложке.
Исследователи из Великобритании и США сообщили о своих выводах в Science, в статье под названием «Идентификация одноцентрового катализа золота при гидрохлорировании ацетилена».Ведущим автором статьи является Грация Мальта из Кардиффского института катализа при Кардиффском университете в Великобритании, которой руководил Грэм Дж. Хатчингс, директор института. В исследовании приняли участие профессор Университета Лихай Кристофер Дж.
Кили, профессор материаловедения и химической инженерии, и Ли Лу, доктор философии. кандидат материаловедения. Кили также является со-директором Кардиффского института катализа.Группа исследовала катализаторы до и после использования в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM-ARM200CF с коррекцией аберраций (STEM) Lehigh, который является одним из самых мощных инструментов в своем роде и позволяет получать изображения и химический анализ материалов на атомном уровне.
Группа также выполнила эксперименты с расширенной тонкой структурой поглощения рентгеновских лучей (EXAFS) и поглощением рентгеновских лучей около края (XANES) с использованием алмазного синхротронного комплекса в Великобритании для изучения катализатора в рабочих условиях реакции.«Эти эксперименты помогли нам определить, что атомно-дисперсное золото — где атомы разделены на углеродном носителе и не соприкасаются — является идеальной формой каталитических частиц для этой реакции», — говорит Кили.«Они также показали нам, что вам нужно, чтобы атомы золота были ионизированы, то есть потеряли часть их электронов, — чтобы произошла конверсия».Группа под руководством К. Ричарда А. Кэтлоу из Кардиффского института катализа и Университетского колледжа Лондона также теоретически смоделировала реакцию с использованием изолированных ионов золота и подтвердила экспериментальные результаты.
«Ученым известно, что атомно-дисперсное золото можно использовать в гомогенно катализируемых реакциях, проводимых в растворе», — говорит Кили. «Здесь нам удалось закрепить атомно-дисперсное золото на твердой основе и добиться аналогичного эффекта».Кили и Хатчингс, которые сотрудничали в течение нескольких десятилетий, сообщили в прошлогодней статье в журнале Nature Communications, что для другой реакции, а именно низкотемпературного окисления монооксида углерода до диоксида углерода, используется другая золотая сущность — сверхмалые кластеры, состоящие из несколько атомов золота — были наиболее активными частицами.
Результаты обоих этих проектов помогут Кили и Хатчингсу разработать и оптимизировать каталитические системы на основе золота для использования в других важных реакциях, таких как реакция конверсии водяного газа, при которой образуется водород.ПВХ стал неотъемлемой частью современной жизни.
Его применение включает строительные трубы, кредитные карты, оконные и дверные рамы, сантехническое оборудование и изоляцию электрических кабелей.Помимо гидрохлорирования ацетилена, предшественник молекулы VCM для ПВХ может быть получен из этилена, побочного продукта нефтепереработки, который также можно выделить из природного газа. Но гидрохлорирование ацетилена остается преобладающим способом производства ПВХ в некоторых странах, располагающих значительными запасами угля.По словам Кили, чтобы превратить полученный из угля ацетилен в предшественник VCM, инженеры-химики за последние полвека реагировали с соляной кислотой (HCl) в присутствии катализатора хлорида ртути.
Но катализатор летуч при температурах реакции, что позволяет токсичной ртути испаряться, улетучиваться в окружающую среду и загрязнять сельскохозяйственные угодья и водоемы.В начале 1980-х годов Хатчингс показал, что для превращения ацетилена в VCM можно использовать более безопасный золотой катализатор на углеродной основе. В то время его открытие привлекло некоторое внимание, но не использовалось в коммерческих целях, поскольку катализатор требовал относительно большого количества дорогого золота и был не очень стабильным.В 2007 году Johnson Matthey, глобальная компания по производству специальной химии, базирующаяся в Великобритании, заинтересовалась результатами Hutchings и начала работать над созданием стабильного катализатора на основе золота на угле с использованием меньшего количества золота.
Компания разработала катализатор под названием Pricat MFC, который сейчас используется в коммерческих целях на большом китайском заводе по производству ПВХ. Китай, крупнейший в мире производитель и потребитель ПВХ, по-прежнему использует уголь для производства ВХМ.Между тем, Минаматская конвенция по ртути 2013 года, подписанная почти 140 странами, запрещает строительство новых заводов по производству ВХМ, использующих хлорид ртути после 2017 года, и требует, чтобы все заводы по производству ВХМ были свободны от ртути к 2022 году.
По словам Кили, ранние работы Хатчингса, усилия Джонсона Матти по коммерциализации и недавнее открытие работы золотого катализатора на углеродной основе в атомном масштабе дают повод для надежды на то, что цели Минаматской конвенции могут быть достигнуты.Они также представляют собой почти беспрецедентное достижение в области катализа.
«Ученые всегда настраивают и оптимизируют рецептуры катализаторов», — говорит Кили. «Но это первый раз за 50 лет, когда я могу вспомнить, когда мы заменили стандартный промышленный катализатор, используемый в основной реакции, на совершенно другую каталитическую систему».