Производство ацетальдегида: новые подходы в условиях заботы об окружающей среде

Ацетальдегид — важнейшее химическое вещество, используемое в производстве всего, — от парфюмерии до пластмасс. Сегодня для его производства в основном используется этилен — нефтехимическое сырье.

Однако растущая озабоченность состоянием окружающей среды заставляет химическую промышленность сокращать зависимость от ископаемого топлива, поэтому ученые ищут более экологичные способы производства ацетальдегида.

В настоящее время ацетальдегид производят с помощью так называемого «процесса Уэкера» — метода химического синтеза, в котором этилен получают из нефти и природного газа с помощью других химических веществ, таких как сильные кислоты, например, соляная кислота. Процесс Ваккера не только оказывает большое влияние на выбросы углекислого газа, но и является ресурсоемким и неустойчивым в долгосрочной перспективе.

Перспективным решением этой проблемы является электрохимическое восстановление диоксида углерода (CO₂) до полезных продуктов. Поскольку CO₂ является отходом, способствующим глобальному потеплению, такой подход решает сразу две экологические проблемы: сокращает выбросы CO₂ и создает ценные химические вещества.

Инновационный катализатор для повышения эффективности

Катализаторы на основе меди уже продемонстрировали свой потенциал для такого преобразования, но до сих пор они боролись с низкой селективностью — это означает, что они производят смесь продуктов, а не желаемый ацетальдегид.

Теперь ученые частно-государственного консорциума под руководством Седрика Дэвида Кулена из группы Андреаса Цюттеля в EPFL, Джека К. Педерсена из Копенгагенского университета и Вена Луо из Шанхайского университета разработали новый катализатор на основе меди, который может селективно превращать CO₂ в ацетальдегид с впечатляющей эффективностью в 92%.

Прорыв, опубликованный в журнале Nature Synthesis, обеспечивает более экологичный и устойчивый способ производства ацетальдегида и может заменить процесс Ваккера. Кроме того, катализатор масштабируется и является экономически эффективным, что открывает возможности для промышленного применения.

Процесс Ваккера фактически не изменился за последние 60 лет. Он по-прежнему основан на той же базовой химии. Настало время для «зеленого» прорыва, — говорит Кулен.

«Увлекательная химия»

Исследователи начали с синтеза крошечных кластеров медных частиц размером около 1,6 нанометра каждый, используя метод, называемый искровой абляцией. Этот метод предполагает испарение медных электродов в среде инертного газа и позволяет ученым точно контролировать размеры частиц. Затем медные кластеры были иммобилизованы на углеродных опорах, чтобы создать стабильный катализатор многократного использования.

В лаборатории команда проверила эффективность катализатора, пропустив его через серию электрохимических реакций с CO₂ в контролируемой среде. Используя синхротрон — крупномасштабную установку, генерирующую очень яркий свет, — команда убедилась, что медные кластеры активно преобразуют CO₂ в ацетальдегид с помощью метода, называемого рентгеновской абсорбционной спектроскопией.

Результаты оказались поразительными. Медные кластеры достигли 92% селективности по ацетальдегиду при относительно низком напряжении, что очень важно для энергоэффективности. В 30-часовом стресс-тесте катализатор продемонстрировал высокую стабильность, сохранив свои характеристики в течение нескольких циклов. Исследователи также обнаружили, что частицы меди сохраняют свою металлическую природу на протяжении всей реакции, что способствует долговечности катализатора.

Что нас действительно удивило, так это то, что медь оставалась металлической даже после снятия потенциала и воздействия воздуха, — говорит соавтор исследования Вэнь Луо.

Обычно медь окисляется как сумасшедшая, особенно такая маленькая. Но в нашем случае вокруг кластера образовалась оксидная оболочка, защищающая ядро от дальнейшего окисления. Это и объясняет возможность вторичной переработки материала. Удивительная химия.

Ключи к успеху

Почему новый катализатор работает так хорошо? Вычислительное моделирование показало, что медные кластеры имеют особую конфигурацию атомов, которая способствует связыванию и трансформации молекул CO₂ таким образом, что производство ацетальдегида оказывается более предпочтительным, чем производство других возможных продуктов, таких как этанол или метан.

Самое замечательное в нашем процессе то, что его можно применить к любой другой системе катализаторов, — говорит соавтор исследования Джек К. Педерсен.

С помощью нашей вычислительной системы мы можем быстро отбирать кластеры на предмет перспективных характеристик. Если речь идет о восстановлении CO₂ или электролизе воды, то с помощью искровой абляции мы можем легко получить новый материал и непосредственно протестировать его в лаборатории. Это намного быстрее, чем обычный цикл «испытать-изучить-повторить».

Новый медный катализатор — это значительный шаг на пути к экологичной промышленной химии. Если его масштабировать, он сможет заменить процесс Wacker, сократив потребность в нефтехимической продукции и уменьшив выбросы CO₂. Поскольку ацетальдегид является строительным блоком для многих других химических веществ, это исследование способно изменить множество отраслей промышленности, от фармацевтики до сельского хозяйства.

Ранее ученые изобрели метод захвата углекислого газа с помощью хитрых ловушек.

03.01.2025