08.10.2020 - RUDN University

Chemiker entwickelt Niob-Siliciumdioxid-Katalysator zur Beschleunigung petrochemischer Reaktionen

Katalysator reduziert die Zeit der Alkylierungsreaktionen von mehreren Stunden auf nur 10 Minuten

Alkylierungsreaktionen werden in der petrochemischen Industrie verwendet, um Komponenten mit hoher Oktanzahl für Kraftstoffe zu erhalten. Ein Chemiker der RUDN-Universität fand einen Weg, diesen Prozess bis auf das 24-fache zu beschleunigen. Dazu entwickelte er einen Katalysator auf der Basis von Siliciumdioxid und Niob. Die Ergebnisse seiner Arbeit wurden in der Zeitschrift " Molecular Catalysis" veröffentlicht.

Bei der Alkylierung wird ein Wasserstoffatom in einer organischen Verbindung durch andere Substanzen, die so genannten Alkylierungsmittel, ersetzt. Die Alkylierung wird in der chemischen und petrochemischen Industrie z.B. zur Gewinnung von hochoktanigen Komponenten in Ottokraftstoffen eingesetzt. Damit der Prozess schnell und effizient abläuft, benötigt er Katalysatoren wie Mineralsäuren und Zeolithe - Mineralien, die in der Lage sind, Stoffe selektiv freizusetzen und anschließend wieder zu adsorbieren. Mineralsäuren (z.B. Schwefel- oder Phosphorsäuren) können jedoch teuer und gefährlich sein: Um sie aus dem Reaktionsgemisch zu extrahieren, benötigt man zusätzliche Reagenzien, die schwer zu handhaben sein können. Im Gegensatz zu Mineralsäuren sind Zeolithe sicher und kostengünstig in der Herstellung. Das einzige Problem liegt in ihrer mikroporösen Struktur, die die Größe der Moleküle, mit denen sie reagieren können, begrenzt. Ein Chemiker der RUDN-Universität schuf einen Katalysator, der frei von diesen Nachteilen ist und die Alkylierungsreaktion bis zu 24 Mal beschleunigen kann. Dazu verwendete sein Team Niob und SBA-15, eine mesoporöse geordnete Form von Kieselsäure.

"SBA-15-Materialien sind aufgrund ihrer hohen Oberfläche und ihres Porenvolumens im Mesoporenbereich, die sie in einen hervorragenden Katalysatorträger umwandeln, als katalytischer Träger relevant. Unser Ziel war es, die Acidität mehrerer Al-SBA-15 getragener Nioboxid-Katalysatoren zu bewerten, die durch ein mechanochemisches Protokoll mit unterschiedlichen Metallfüllungen hergestellt wurden", sagte Dr. Rafael Luque, Leiter des Wissenschaftszentrums für Molekulardesign und Synthese innovativer Verbindungen für die Medizin an der RUDN-Universität.

Das Team achtete auf die reduktiv-oxidativen und sauren Eigenschaften von Verbindungen auf Niobbasis, die für einen Katalysator wichtig sind, und beschloss, Niob in einer Alkylierungsreaktion zu testen. Dazu brachten sie Nioboxid-Nanopartikel (die mechanochemisch auf eine Größe von mehreren Nanometern zermahlen worden waren) auf den Träger auf. Der Metallgehalt im neuen Material variierte von 0,5% bis 1%, und die Größe der Partikel wurde mit einem Transmissionselektronenmikroskop kontrolliert. Das Team verwendete energiedispersive Röntgenspektroskopie, um eine gleichmäßige Verteilung der Partikel auf der Oberfläche des Trägers sicherzustellen.

Um die katalytischen Eigenschaften des neuen Materials zu analysieren, führten die Chemiker die Reaktion der Toluol-Alkylierung mit Benzylalkohol und Benzylchlorid durch, die als Alkylierungsmittel wirkten. Als Ergebnis des Experiments bestätigte das Team eine positive Wirkung der Niobpartikel auf die Reaktion: Die Reaktionszeit verkürzte sich von 4 Stunden auf 10 Minuten. Der Katalysator mit niedrigerem Niobgehalt (0,5%) erwies sich aufgrund der besseren Dispersion als wirksamer. Das Team ist der Meinung, dass sich bei der Synthese des Katalysators Nioboxid auf dem Träger ablagerte, und je mehr Niob, desto größer die Katalysatorteilchen waren. Dies verringerte die effektive Kontaktfläche der Partikel und wirkte sich daher negativ auf die katalytische Aktivität des Materials aus.

"Es ist uns gelungen, einen Katalysator zu schaffen, der die Zeit der Alkylierungsreaktionen von mehreren Stunden auf nur 10 Minuten reduziert, frei von den chemischen Beschränkungen der Zeolithe ist und im Gegensatz zu Mineralsäuren keine Gefahr darstellt", fügte Rafael Luque hinzu.

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