Ацеталдехид је есенцијални хемијски градивни блок који игра главну улогу у модерној производњи. Обично се производи коришћењем Вацкер оксидационог процеса на бази етилена, методе која је скупа и носи значајне еколошке недостатке. Претварање биоетанола у ацеталдехид кроз селективну оксидацију нуди одрживију алтернативу, али већина постојећих катализатора суочава се са познатим проблемом. Када се активност повећа, селективност често опада, остављајући принос ацеталдехида испод 90%.
Пре више од десет година, истраживачи Лиу и Хенсен су показали важан напредак користећи Ау/МгЦуЦр2О4 катализатор. Њихов рад је открио специфичну Ау0-Цу+ интеракција која је дала приносе ацеталдехида преко 95% на 250°Ц, док је остала стабилна више од 500 сати (Ј. Ам. Цхем. Соц. 2013, 135, 14032; Ј. Цатал. 2015, 331, 138; Ј. Цатал., 401, 434). Упркос овој прекретници, развој сигурнијих, нетоксичних катализатора који могу постићи сличне перформансе на нижим температурама остао је нерешен изазов.
Нови златни перовскит катализатори подстичу перформансе даље
Недавни напредак истраживачког тима који предводе проф. Пенг Лиу (Универзитет науке и технологије Хуазхонг) и проф. Емиел ЈМ Хенсен (Технолошки универзитет у Ајндховену) означава значајан корак напред. Тим је дизајнирао серију Ау / ЛаМнЦуО3 катализатори са различитим односом мангана и бакра. Међу њима, Ау/ЛаМн0,75Цу0,25О3 истакао се својом снажном кооперативном интеракцијом између наночестица злата и умерено допираног бакром ЛаМнО3 структура перовскита.
Ова пажљиво подешена синергија омогућила је да се оксидација етанола ефикасно одвија на температурама испод 250оЦ. Нови катализатор је надмашио дугогодишњи Ау/МгЦуЦр2О4 бенцхмарк, а резултати су објављени у кинеском часопису Цаталисис.
Оптимизација дизајна катализатора за већи принос и стабилност
Да би побољшали ефикасност претварања биоетанола у ацеталдехид – вредну хемикалију која се користи у пластици и фармацеутским производима, истраживачи су се фокусирали на носаче катализатора на бази перовскита. Ови материјали су произведени помоћу сол-гел процеса сагоревања, а затим обложени наночестицама злата. Прилагођавајући садржај мангана и бакра, тим је идентификовао оптималну формулацију (Ау/ЛаМн0,75Цу0,25О3) који је постигао 95% принос ацеталдехида на 225°Ц и остао стабилан 80 сати.
Катализатори са вишим нивоима бакра показали су се лошије, углавном зато што бакар има тенденцију да изгуби своје активно хемијско стање током реакције. Снажне перформансе оптимизованог катализатора праћене су кооперативном интеракцијом између јона злата, мангана и бакра.
Како злато, бакар и манган раде заједно
Да би објаснили зашто нови катализатор ради тако добро, истраживачи су спровели детаљне рачунарске студије користећи теорију функционалне густине и микрокинетичко моделирање. Ове симулације су показале да увођење бакра у структуру перовскита ствара високо активна места у близини златних честица. Ова места олакшавају реакцију молекула кисеоника и етанола.
Оптимизовани катализатор такође смањује енергетску баријеру за кључне кораке реакције, омогућавајући да процес напредује ефикасније. Заједно, експериментални подаци и теоријско моделирање наглашавају важност прецизног подешавања састава катализатора за постизање веће ефикасности и боље стабилности.
