Современное производство топлив, полимеров, лекарств невозможно представить без катализаторов.

Окрашенные снимки катализатора с просвечивающего электронного микроскопа. На углеродной матрице (бирюзовый фон) видны белые крапинки и пятна — отдельные атомы и наночастицы палладия. В новом, эффективном катализаторе (фото слева) частицы палладия хорошо различимы на поверхности, а в неэффективном (фото справа) металл заперт в микропорах углерода и малодоступен для участия в реакциях. Фото (с изменениями) из статьи: Chernysheva D. V., Pasyukov D. V. et. al // Liquid Humins: A Sustainable Carbonaceous Feedstock for Pd/C Catalysts Design with a Reduced «Dead» Metal Effect. ChemSusChem (2025), e202500736 © Wiley-VCH GmbH; отредактировал Николай Посунько/Skoltech PR.

Новые научные данные свидетельствуют о том, что подавляющее большинство драгоценного металла в составе таких катализаторов (до 98%) представляет собой бесполезную массу («мёртвый металл»), заключённую внутри микроскопических пор материала, не принимающую участия в каталитическом процессе. Решить проблему можно, используя в качестве носителей углеродные материалы без микропор, обладающие большой поверхностью и высокой адгезией по отношению к металлическим наночастицам и отдельным атомам металла. Однако подобные углеродные носители отличаются дороговизной и сложностью изготовления.

Сотрудники Сколтеха с коллегами из Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН, Южно-Российского государственного политехнического университета им. М. И. Платова, Института катализа СО РАН и МИСиС предложили в качестве недорогой углеродной основы для палладиевого катализатора композит, изготовленный из отходов переработки растительного сырья. Сырьём для такой основы служит гумин — побочный продукт переработки биомассы в фураны. Он в больших количествах образуется на химических заводах по производству фурфурола, древесного спирта и других веществ.

Разработанный композитный материал получают посредством карбонизации термически отверждённых гуминовых веществ и меламина. При этом образуется аморфный углеродный материал с высоким содержанием азота (N-допированный углеродный материал) и крайне малым количеством пор. Азот в углеродном материале стабилизирует наночастицы и атомы палладия, удерживает их на поверхности, предотвращая попадание в микропоры.

Катализатор с таким носителем оказался очень экономным с точки зрения потребления палладия. Благодаря крайне низкому содержанию в композитной основе пор, снижающих активность палладия, расход этого драгоценного металла уменьшается примерно в 100 раз по сравнению с аналогичными промышленными катализаторами.

Проведённые эксперименты показали исключительно высокую активность предложенного катализатора в реакциях кросс-сочетания и гидрирования — ключевых промышленных процессах, используемых для синтеза лекарственных препаратов, пестицидов и мономеров, необходимых для производства пластмасс. Причём эффективность нового катализатора в исследованных реакциях превзошла и большинство других известных катализаторов Pd/C, производимых из отходов переработки растительного сырья.

Новый катализатор, как предполагают, может не только удешевить производство многих синтетических веществ, но и уменьшить их загрязнение токсичным палладием, что особенно важно для фармацевтики.

Результаты работы опубликованы в журнале ChemSusChem.

№8, 2025