Более эффективные катализаторы

Ученые лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН разработали способ конструирования гибридных материалов на основе наноструктурированного оксигидроксида алюминия и порфирина. В новом материале молекулы порфирина благодаря наличию специальной якорной группы распределены преимущественно по поверхности неорганической матрицы, что дает широкие возможности для использования этого материала в каталитических процессах.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Для получения гибридного материала ученые разработали комплексный подход. Макроцикл (главная структурная часть) синтезированной молекулы содержит три принципиальные группы: функциональную (отвечающую за фотофизические свойства), солюбилизирующую (повышающую растворимость молекулы) и, наконец, якорную группу. Наличие последней позволило зафиксировать молекулы порфирина на поверхности матрицы — наноструктурированного оксидного материала. Расположение порфирина на поверхности делает его легкодоступным для реагентов и повышает эффективность материала в каталитических процессах.

Наноструктурированный оксигидроксид алюминия был выбран в качестве матрицы из-за своего уникального строения. Это волокнистый материал с разветвленной поверхностью и крайне низкой плотностью. Температурная обработка позволила повысить его механическую прочность настолько, чтобы появилась возможность создать макроскопический объект. Нанофибриллы матрицы были покрыты монослоем диоксида кремния, благодаря чему удалось добиться крайне прочного связывания порфирина с матрицей. В дальнейшем этот тип материалов может быть использован для создания наполнителей реакторных установок.

«Результаты исследования закладывают фундаментальную основу для получения нового типа 3D-наноструктурированных гибридных материалов на основе порфиринов,— рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории новых физико-химических проблем, доктор химических наук Кирилл Бирин.— Семейство порфирины достаточно многообразно, и каждый тип обладает своими уникальными фотофизическими и физикохимическими свойствами. Именно поэтому порфирины являются перспективными кандидатами для использования в самых разных областях: фотодинамической терапии, нелинейной оптике, катализе и др. Дальнейшее развитие химии порфиринов — это создание функциональных материалов на их основе. В таких функциональных материалах матрица обеспечивает удобный доступ к активным молекулам и позволяет использовать их уникальные свойства, такие как, например, люминесценция, способность к сорбции или каталитическая активность».

Большинство существующих в настоящее время функциональных материалов на основе порфиринов представляют собой металл-органические или ковалентные каркасные структуры, в которых молекулы порфиринов распределены по всему объему материала. Для использования в каталитических процессах объемное распределение — это недостаток, потому что оказавшиеся внутри материала молекулы недоступны для химических реакций.

«В нашем гибридном материале,— отметил соавтор работы, студент пятого курса МГУ Степан Коробков,— порфирин за счет якорной группы связывается с поверхностью матрицы из наноструктурированного оксигидроксида алюминия и полностью открыт для химического взаимодействия. Такие функциональные материалы много эффективнее для использования в катализе, а это одновременно позволяет экономить катализатор и упрощает его регенерацию».

Решение современных технологических задач сталкивается со множеством ограничений, таких как необходимость высокой эффективности процессов, их экономичности, а также экологическими ограничениями. Существует не так уж и много процессов, одновременно удовлетворяющих этим требованиям, и одним из них является катализ. Получение высокоэффективных катализаторов зачастую сопряжено со значительными затратами, что делает необходимым разработку методов их регенерации.

Порфирины, являющиеся природоподобными красителями, уже зарекомендовали себя как перспективные фотокатализаторы реакций окисления. Этот тип реакций находит широкое применение в синтезе лекарственных препаратов, однако традиционная реализация этих реакций сопряжена с затратной и трудоемкой очисткой получаемых соединений. Замена таких окислительных процессов на фотокаталитические реакции позволит одновременно уменьшить затратность производства и сократить его экологический след.

Исследование поддержано Российским научным фондом, грант N23-23-00542.
Подготовлено при поддержке Минобрнауки