Создание новых высокоактивных Cu-cодержащих катализаторов гидропревращения фурфурола в ценные продукты фуранового ряда

Ввиду ряда энергетических и экологических проблем в настоящее время широкую востребованность получили способы переработки биомассы в различные ценные химические соединения и топливные добавки. Однако производство компонентов моторных топлив и коммерческих продуктов с высокой добавленной стоимостью требует разработки новых типов катализаторов и усовершенствования каталитических процессов, которые позволили бы эффективно превращать непищевое растительное сырье в условиях современной конкуренции в энергетическом секторе страны. Лигноцеллюлоза, которая имеет большие объемы ежегодного производства и характеризуется низким содержанием примесных элементов (тяжелые металлы, сера и азот), способных загрязнять окружающую среду при выбросах, рассматривается в качестве наиболее подходящего сырья растительного происхождения. Одним из наиболее перспективных продуктов превращения биомассы путем кислотного гидролиза гемицеллюлозы – одного из основных компонентов лигноцеллюлозы - является фурфурол с объемом производства около 430 тыс. тонн/год, который может служить платформой для получения большого количества соединений с широким спектром применения. Наиболее значимым в переработке фурфурола является процесс гидрирования, с помощью которого можно получать различные ценные химические вещества, например, фурфуриловый спирт, 2-метилфуран, тетрагидрофурфуриловый спирт и т.д. Фурфуриловый спирт имеет широкий спектр применения: в производстве смол, ароматизаторов, для получения компонентов моторных топлив, в фармацевтике, биохимии, косметологии и пр. В свою очередь 2-метилфуран рассматривается как перспективная октаноповышающая добавка к моторным топливам. Традиционными катализаторами для получения фурфурилового спирта из фурфурола являются CuCr- катализаторы, которые в промышленном масштабе позволяют получать ФС с высоким выходом (до 98%). Тем не менее главным недостатком таких систем является наличие хрома в их составе, что может загрязнять целевые продукты соединениями хрома и затруднять их дальнейшее использование в таких важных областях как фармацевтика, биохимия и косметология, где наблюдается наибольший вклад в добавленную стоимость от использования этих продуктов. Поэтому в настоящее время по всему миру активно ведутся работы по поиску новых каталитических систем, не содержащих в своем составе хром, которые бы обеспечивали такой же высокий уровень выхода целевых продуктов из фурфурола. В связи с этим проект направлен на решение актуальной проблемы создания новых типов каталитических систем на основе переходных металлов, предназначенных для селективного гидропревращения фурфурола в ценные продукты фуранового ряда, а именно в фурфуриловый спирт и 2-метилфуран. Следует отметить, что для гидропереработки фурфурола важное значение имеет высокая селективность катализатора в гидрировании альдегидной функциональной группы с образованием фурфурилового спирта с последующей гидродеоксигенацией до 2-метилфурана. При этом катализатор не должен приводить к гидрированию ароматического кольца. Следовательно, важным критерием в выборе катализаторов является «настраиваемая» селективность (многофункциональность), полученная путем выбора условий процесса и/или введением в катализатор модификатора активной фазы. Наиболее перспективными в качестве катализаторов селективного гидрирования фурфурола до фурфурилового спирта и 2-метилфурана рассматриваются Cu-содержащие системы. Известно, что сплавные CuFe-содержащие катализаторы могут использоваться в селективном гидрировании фурфурола до фурфурилового спирта, однако их активность в деоксигенации с образованием 2-МФ остается достаточно низкой. В качестве основного подхода для ее повышения предлагается введение небольшого количества никеля (до 5 вес.%) в состав высокопроцентного золь-гель катализатора на основе Cu (до 50 вес.%). Поскольку Ni и Cu могут образовывать твердые растворы, то путем варьирования отношения Ni/Cu можно получить требуемую селективность и активность катализатора в отношении ФС и 2-МФ. В качестве стабилизатора дисперсного состояния активного компонента будут использованы оксиды алюминия, которые за счет своей поверхности выполняют роль матричной структуры в золь-гель синтезе, способствуя равномерному распределению частиц активного компонента в объеме катализатора, и железа, что может приводить к образованию шпинели со структурой Fe3O4 и позволит получить дополнительный эффект повышения стабильности активной фазы, таким образом предоставив возможность к варьированию селективности катализатора в целом. Для управления активностью и селективностью катализаторов необходимо понимание влияния состава активной фазы катализатора, роли модификаторов и носителей на протекание маршрутов реакции. Поэтому разрабатываемые катализаторы будут исследованы комплексом физико-химических методов (РФА, РФЭС, ТПВ, ПЭМ и др ) для выявления корреляций между физико-химическими характеристиками катализаторов и кинетическими параметрами каталитического процесса. Важно отметить, что на настоящий момент большинство работ посвящено изучению процесса селективного гидрирования фурфурола до ФС и 2-МФ в жидкой фазе в реакторах периодического действия в присутствии различных растворителей, но при этом весьма мало внимания уделяется процессу в реакторе проточного типа без использования растворителя, что является одним из важных критериев для дальнейшего масштабирования процесса. Таким образом, выполнение данного проекта позволит получить новые высокоактивные многокомпонентные катализаторы на основе никеля и меди, обеспечивающие управляемое селективное гидропревращение фурфурола в фурфуриловый спирт, который является платформой для синтеза большого количества ценных химических соединений, или в 2-метилфуран, который является перспективной высокооктановой добавкой для моторных топлив. Будут выявлены основные закономерности, связанные с составом активного компонента катализаторов на основе переходных металлов и селективностью образования целевых продуктов. Научные результаты проекта будут опубликованы в двух статьях, индексируемых в базах данных Scopus и WOS.