Een chemicus van RUDN synthetiseerde nieuwe katalysatoren met ruthenium (Ru) nanodeeltjes voor de productie van biobrandstof uit organisch bioafval. Nanokatalysatoren ondersteunen meer intensieve en aanhoudende reacties dan de verbindingen die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in de ChemSusChem logboek.

Rafael Luque, een externe specialist van RUDN, werkt samen met zijn Chinese en Spaanse collega's aan de synthese van gamma-valerolacton (GVL). Deze kleurloze vloeistof kan worden verkregen uit voedselverspilling of oogstresten. GVL kan worden gebruikt als een veilig oplosmiddel of als additief voor benzine of kan worden gedestilleerd tot koolwaterstoffen, "groene brandstof" voor verbrandingsmotoren.

Industrieel gebruik van GVL wordt gehinderd door twee hoofdproblemen. Allereerst, de vervaardiging ervan omvat dure katalysatoren. Het huidige marktaanbod bestaat uit stoffen op basis van edele metalen zoals ruthenium. Tweede, de beschikbare katalysatoren zijn niet in staat een aanhoudende reactie te ondersteunen.

De auteurs van het artikel in ChemSusChem voor beide problemen een oplossing aangedragen. Ze synthetiseerden vier nieuwe katalysatoren op basis van titaniumdioxidekristallen met 1 procent, 2 procent, 3 procent en 5 procent aandeel van ruthenium nanodeeltjes (momenteel, de katalysatoren bevatten meer dan 5 procent). In een reeks experimenten, scheikundigen zochten niet alleen naar de meest actieve, maar ook de meest stabiele katalysator die een reactie lang kan ondersteunen.

De onderzoekers bereidden GVL voor uit hydrogenering van levulinezuur of methyllevulinaat in aanwezigheid van verschillende katalysatoren, zowel nieuw (op basis van titaniumdioxide) als eerder bekend. Ze testten ook de katalytische activiteit van zuiver titaniumdioxide, het uitproberen van elke stof in alle mogelijke omstandigheden. De wetenschappers veranderden de temperatuur, volume katalysator, concentratie van de oorspronkelijke stof in het oplosmiddel, en de snelheid van instroom in de reactor.

Zuiver titaandioxide bleek geen katalytische activiteit te hebben. GVL werd alleen gesynthetiseerd uit oorspronkelijke stoffen in aanwezigheid van ruthenium-nanodeeltjes. Alle door de wetenschappers gesynthetiseerde katalysatoren op basis van titaniumdioxide waren actief, maar de variatie met het hoogste (5 procent) gehalte aan nanodeeltjes vertoonde maximale efficiëntie. In zijn aanwezigheid, de reactie vond plaats in 98 procent van de oorspronkelijke stof, en 97 procent ervan werd gebruikt om het doelproduct (GVL) te synthetiseren.

Ondanks hetzelfde aandeel ruthenium, de resultaten van eerder bekende katalysatoren waren aanzienlijk lager en experimenten gebruikten nooit bioafval van methyllevulinaat. Bijvoorbeeld, in aanwezigheid van een op koolstof gebaseerde rutheniumkatalysator vond de reactie plaats in 83 procent levulinezuur, en slechts 52 procent werd toegewezen aan GVL-synthese.

Hoge stabiliteit van de nieuwe katalysatoren was een nog belangrijkere ontdekking. Terwijl traditionele katalysatoren hun activiteit twee uur na het begin van de reactie verloren, Op titaandioxide gebaseerde stoffen verbeterden hun resultaten binnen deze periode. De katalysator met een aandeel van 5 procent ruthenium-nanodeeltjes versloeg de anderen opnieuw:GVL bleef meer dan 24 uur continu synthetiseren.

"Een traditionele manier van GVL-synthese omvat kortetermijnreacties in batchreactoren, " zegt Rafael Luque, hoogleraar van het Centre for Molecular Design and Synthesis of Innovative Compounds for Medicine, en een externe specialist van RUDN. "Daarom, er waren geen katalysatoren voor continue GVL-productie. We zijn erin geslaagd om een ​​relatief goedkope, zeer efficiënt, en zeer stabiel katalytisch systeem op basis van titaandioxidekristallen. Het potentieel van de nieuwe katalysatoren is niet beperkt tot GVL-synthese - we zijn van plan ze in andere studies te gebruiken."