25.03.2022
В исследовании сотрудников ИОХ РАН впервые показана беспрецедентная активность
палладиевого катализатора, нанесенного на углерод (Pd/C). Комплексное применение
электронной микроскопии, машинного обучения и экспериментального
каталитического исследования дает начало новой концепции полностью определенных
гетерогенных катализаторов — Totally Defined Catalysis (doi: 10.1021/jacs.2c01283).
Палладиевые катализаторы широко востребованы в промышленности для синтеза
различных органических соединений, в первую очередь фарм-препаратов. Удобством
гетерогенных нано-катализаторов является простота их использования и легкость
отделения от реакционной массы по окончании процесса. Однако наряду с этими
преимуществами такие катализаторы уступают в активности гомогенным, то есть
полностью растворимым. Поэтому внимание многих научных групп сфокусировано на
разработке гетерогенного катализатора, не уступающего активностью гомогенному.
Основной сложностью для изучения таких катализаторов является их неоднородность в
микро- и наномасштабе. Если гомогенные катализаторы представляют собой конкретное
химическое соединение, которое несложно описать, то гетерогенные являются сложной
комбинацией различных наночастиц на развитой поверхности носителя.
В исследовании сотрудников Института органической химии им. Н.Д. Зелинского (ИОХ
РАН) при помощи специального устройства – наноманипулятора проводился захват и
изолирование от общей массы индивидуальных частиц катализатора, размером от 500 нм
(Рисунок). Несмотря на такой небольшой размер на поверхности частицы присутствуют
тысячи наночастиц палладия. Достоверно идентифицировать и подсчитать все
наночастицы удалось с помощью нейронных сетей. Это позволило исследователям
посчитать все наночастицы и определить их взаимное расположение.
Каждая полностью описанная частица Pd/C была исследована на активность в химической
реакции кросс-сочетания Сузуки-Мияуры. Для количественной оценки активности
катализатора применялся метод масс-спектрометрии высокого разрешения с мечеными
соединениями продукта реакции в качестве стандарта. Оказалось, что индивидуальные
частицы гетерогенного катализатора обладают крайне высокой активностью,
соизмеримой с активностью гомогенного. Каждый атом палладия, введенный в
реакционную систему, произвел около миллиарда каталитических циклов, что является
абсолютным рекордом для таких систем на сегодняшний день. Такая высокая активность
индивидуальных частиц катализатора объясняется полной доступностью всех наночастиц
частицы Pd/C для реакции и минимизацией путей деактивации катализатора, а именно
избежание взаимодействия частиц палладия друг с другом с последующей потерей
активности.
Комбинация электронной микроскопии, машинного обучения и экспериментального
исследования в каталитическом процессе позволило провести недоступное ранее полное
описание гетерогенного катализатора. Можно ожидать, что гетерогенные катализаторы
будущего будут представлять собой полностью охарактеризованные микрочастицы с
заведомо известной высокой активностью. Данная работа впервые открывает концепцию
полностью определенного катализатора (Totally Defined Catalysis) для практики.
Работа выполнена в лаборатории В.Ананикова и опубликована в журнале Американского
химического общества (Journal of the American Chemical Society).
Рисунок: Захваченная индивидуальная микрочастица катализатора Pd/C и размеченные наночастицы на поверхности частиц катализатора Pd/C.
ИОХ РАН
Нет комментариев