Ученые из РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина совместно с коллегами из МГУ имени М.В. Ломоносова и Самарского государственного технического университета предложили концепцию создания новых функциональных материалов и катализаторов для нужд нефтепереработки и нефтехимии, а также водородной энергетики. В основе этого подхода лежит использование природных глинистых нанотрубок, обладающих уникальными свойствами и в то же время схожих с традиционными синтетическими аналогами, применяемыми в промышленности. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Society Reviews, работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).

Катализаторы — это вещества, которые ускоряют химические реакции и делают процессы более эффективными. В нефтяной промышленности катализаторы используются для глубокой переработки углеводородного сырья, производства моторных топлив и нефтехимических продуктов.

Традиционные катализаторы гидропроцессов, которые проводятся в присутствии водорода, как правило, состоят из синтетических материалов, в частности алюмосиликатов. Это соединения, образованные атомами алюминия, кремния и кислорода. На этапе синтеза возможно изменять их свойства в зависимости от конечных целей. Однако синтетические алюмосиликаты обладают одним недостатком: их сложно и дорого производить.

И здесь на помощь приходит галлуазит — глинистый алюмосиликатный минерал в форме нанотрубок. Примечательно, что внешняя поверхность этих трубок состоит из оксида кремния (заряжена отрицательно), а внутренняя — из оксида алюминия (заряжена положительно). Такая уникальная структура позволяет направленно модифицировать галлуазит, задавая необходимые характеристики новых катализаторов на его основе.

«Галлуазит — природный алюмосиликат, являющийся, по сути, ископаемым функциональным материалом, который подарила нам природа, а мы лишь придумали, как использовать этот уникальный дар», — сказал руководитель проекта по гранту РНФ Александр Глотов, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина.

На данный момент крупные месторождения галлуазита имеются в США, Австралии, Новой Зеландии, Китае, а в России минерал обнаружен на Урале. Некоторые фирмы продают алюмосиликатные нанотрубки в чистом виде в больших количествах по низкой цене. Это значит, что уже сейчас можно использовать галлуазит в промышленных масштабах.

Ученые проанализировали информацию о мировых исследованиях, в том числе на основе собственных работ, в области создания новых катализаторов из галлуазита. Они подробно описали влияние структуры и текстурных характеристик на активность катализаторов в ключевых процессах нефтехимии и нефтепереработки, осуществляемых под давлением водорода. Особое внимание уделили способам направленного синтеза систем с заданными характеристиками, в частности композитных мезопористых материалов, обладающих высокой удельной площадью поверхности, термической и механической стабильностью, контролируемой кислотностью.

В рамках предложенной концепции «нанореакторов» ученые рассмотрели методы селективного, то есть избирательного нанесения металлов: либо вовнутрь трубок, либо на их внешнюю поверхность. Это позволяет контролировать свойства получаемых функциональных материалов и катализаторов, повысить срок их службы.

«Отдельная глава нашего обзора посвящена исследованиям по удалению загрязняющих веществ, а также созданию аккумуляторов водорода. Развитие работ в этой области позволит существенно приблизить общество к решению проблем хранения и высвобождения водорода — экологичного топлива будущего», — прокомментировал Александр Глотов.

Рекомендации ученых могут стать фундаментом для развития мировых и отечественных исследований в области разработки высокоактивных, стабильных и дешевых катализаторов для гидропроцессов нефтехимии и нефтепереработки, получения, транспортировки и хранения водорода, очистки атмосферных и выхлопных газов.