Гетерогенные нанокомпозитные катализаторы с наноструктурами рения для каталитического восстановления 4

Jun 04, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 6228 (2022) Цитировать эту статью

1303 Доступа

4 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Стабильные и эффективные гетерогенные нанокатализаторы восстановления 4-нитрофенола (4-NP) в последние годы привлекли большое внимание. В этом контексте используется уникальный и эффективный подход in situ для производства новых полимерных нанокомпозитов (пНК), содержащих наноструктуры рения (ReNS). Эти редкие материалы должны способствовать каталитическому разложению 4-NP, в свою очередь обеспечивая повышенную каталитическую активность и стабильность. Эти наноматериалы были проанализированы с использованием инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FT-IR), просвечивающей электронной микроскопии (TEM) и порошковой рентгеновской дифракции (XRD). Эффективность каталитической реакции оценивали на основе полученных УФ-Вид спектров, что позволило оценить каталитическую активность с использованием моделирования псевдопервого порядка. Примененный метод привел к успешному получению и эффективной загрузке ReNS в полимерные матрицы. Аминофункциональные группы играли первостепенную роль в процессе восстановления. Более того, функциональность, полученная из 1,1'-карбонилимидазола, улучшила доступность ReNS, что привело к 90% конверсии 4-NP с максимальной константой скорости 0,29 мин-1 в течение 11 последующих каталитических циклов. Этот эффект наблюдался, несмотря на следовые количества Re в пНК (~ 5%), что указывает на синергетический эффект между полимерной основой и катализатором на основе ReNS.

Благодаря уникальным свойствам группы –NO2 нитроароматические соединения (НАР) служат ключевыми строительными блоками для производства продуктов тонкой химии. Это делает НАР самой крупной группой химикатов, используемых в промышленных масштабах1,2,3,4. Более того, большое количество НАР ежедневно обнаруживается в выхлопах дизельных двигателей. Эти значительные источники отходов делают НАР одной из основных опасностей для окружающей среды и здоровья, поскольку, по данным Международного агентства по исследованию рака (МАИР), НАР в значительной степени способствуют риску развития рака легких, мочевого пузыря и поджелудочной железы, а в случае детей также рак мочевыводящих путей и рак неврологического характера5,6.

Самый популярный метод нейтрализации НАР – прямое восстановление групп –NO2 до –NH2. Такой подход очень удобен, поскольку ароматические амины (АММ) имеют решающее значение для производства, например, крупномасштабных фармацевтических препаратов7,8. Однако для того, чтобы это произошло, восстановление требует катализатора, и поэтому применение металлических наноструктур (НС) в качестве катализаторов особенно важно9. НС позволяют провести эффективное восстановление НАР до ААМ в мягких условиях. Это сделало нанокатализаторы (НКат) НС одним из важнейших научных направлений [9, 10, 49]. На сегодняшний день снижение NAR было протестировано на различных NCats, включая AuNS, AgNSs10, PtNS и PdNSs11,12. Согласно этому исследованию, PtNS и PdNS обладают необычайной и уникальной активностью, приводящей к полному снижению количества NAR — даже при следовых количествах NCats11,12. Таким образом, ожидается, что малоизвестный наноматериал (НМ): рениевые НС (ReNS) значительно повысит каталитическую активность NCats в направлении восстановления NAR. Литература и практика предлагают многочисленные высокотехнологичные применения Re в таких областях, как аэрокосмическая, атомная и нефтехимическая промышленность. Металлический Re незаменим в каталитических процессах, связанных с повышением октанового числа товарных бензинов, а также синтезах Фишера-Тропша и аммиака13,14,15,16. В литературе также доказано, что NCats ReNS превосходят катализаторы PGM в разложении 4-нитроанилина17, нитробензола, 4-нитрофенола, 2-нитроанилина, 2,4-динитрофенола и 2,4,6-тринитрофенола18. В связи с этим в наших предыдущих работах мы выявили превосходную каталитическую активность гомогенных19 и гетерогенных20 NCat с ReNS в отношении восстановления 4-нитрофенола и 4-нитроанилина. Однако получить ReNS сложно. В мировой научной литературе имеется лишь несколько сообщений о создании ReNS. Сюда входит синтез Co-ReNS21 методом горячей инъекции, а также производство ReNS с использованием подходов импульсного лазерного осаждения22, электроосаждения23, гамма-излучения24 и химического осаждения из паровой фазы25. Недавно мы предложили два новых подхода к синтезу НМ на основе Re. Это включало применение систем реакционного разряда19, а также восстановительно-связанную адсорбцию на аминогруппах анионообменной смолы20,26.