Японские ученые разработали простой и дешевый синтез амфолитных оксидов перовскитного типа. Им удалось получить высокоэффективные кислотно-основные катализаторы, с помощью которых можно быстро и селективно проводить сложные реакции органического синтеза. Статья опубликована в ACS Applied Materials & Interfaces.
Важную роль в промышленности играют катализаторы, работающие на принципах кислотности и основности соединений. Кислота — это соединение, способное принимать электронную пару, а основание — способное отдавать; в кислотном катализе участвуют кислоты, а в основном — основания. При этом некоторые соединения могут обладать свойствами как кислоты, так и основания. Именно эти соединения сегодня привлекают внимание ученых: они называются амфолитами и участвуют в явлении так называемого кислотно-основного катализа. Во время такого катализа нуклеофильные и электрофильное центры активируются одновременно, благодаря чему реакция протекает по кооперативному механизму. Подобной кислотно-основной бифункциональностью обладают различные оксиды металлов, цеолиты и фосфаты металлов. Они имеют явное преимущество над обычным кислотным или основным катализом, если реакцию необходимо провести со специфической активностью или селективностью. Особенно выгодны твердые кислотно-основные катализаторы, поскольку они пригодны для повторного использования и не приводят к образованию отходов. Однако для управления кислотно-основным катализом необходимо уметь создавать катализаторы определенной структуры, а это сложная задача.
Группа исследователей из Японии разработала новый метод, позволяющий синтезировать высокоэффективные твердые кислотно-основные катализаторы перовскитного типа. «Оксиды перовскитного типа приобретают все большее значение в нескольких областях, включая применение их магнитных свойств, а также применение в области сегнетоэлектричества, пьезоэлектричества и катализа. Более того, структуру и физико-химические свойства оксидов типа перовскита можно регулировать, контролируя их химический состав», — объяснил Кейго Камата из Токийского технологического института, руководитель исследования. Метод состоит из двух этапов: во-первых, нужно подготовить материал-предшественник, а во-вторых, прокалить его для увеличения площади поверхности. Этот метод называется золь-гель и заключается в том, чтобы из дисперсной системы из малых количеств частиц (золя) получить упорядоченную систему монолитного геля. Наглядным примером отличия золей от гелей является холодец. Когда он только что сварен и еще не остыл, то это золь, а если блюдо уже застыло и готово к употреблению, то это гель.
Для приготовления материала-предшественника ученые растворили алкоксид, содержащий катионы титана (Ti4+), циркона (Zr4+) или ниобия (Nb5+), в растворе яблочной кислоты и перекиси водорода. Затем они добавляли в раствор ацетат щелочных и щелочноземельных металлов, после чего высушивали его, получая при этом порошкообразный предшественник. Далее они прокалили его при температуре 550 °С в атмосфере азота и выдерживали на воздухе в течение 5 часов. Высокая температура и присутствие кислорода привели к кристаллизации предшественника и увеличению площади его поверхности.
В итоге ученые получили девять катализаторов: CaTiO3, SrTiO3, BaTiO3, CaZrO3, SrZrO3, LiNbO3, NaNbO3 и KNbO3. Самым активным из них оказался катализатор с наночастицами SrTiO3. С его помощью ученым удалось ввести циано- (-CN) и силильную (-Si(CH3)4) группы в ацетофенон с помощью триметилсилилцианида (TMSCN) в мягких условиях без предварительной термической обработки. Также исследователи обнаружили, что удельная поверхность этого катализатора (46 м2/г) в 10 раз больше, чем у всех остальных коммерчески доступных титанатов. «Мы заметили, что синтезированные наночастицы могут активировать TMSCN со стороны основного кислорода и ацетофенон со стороны кислого титана. Этот кооперативный механизм активации позволил получить высокую каталитическую активность катализатора», — рассказал Кейго Камата.
С помощью нового метода можно избежать использования дорогих реагентов, многостадийной процедуры и последующей обработки. Этот простой метод синтеза оксидов перовскитного типа может стать многообещающей стратегией для проведения каталитических реакций в мягких условиях.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
