Химики из МГУ создали катализаторы на основе сульфидов переходных металлов, применение которых позволит получать компоненты моторных топлив из тяжелых остатков нефтепереработки, а также улучшит качество добываемой нефти. Важной особенностью таких катализаторов является их бифункциональность — они позволяют не только эффективно трансформировать углеводороды, в том числе серосодержащие, но и преобразовывать воду в водород. Исследования показали, что с новыми катализаторами можно исключить энерго- и ресурсозатратную стадию отделения воды при переработке обводненного углеродсодержащего сырья. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Catalysis B: Environmental и поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.

Традиционно для переработки тяжелого нефтяного сырья в компоненты товарных топлив используют процессы каталитического облагораживания под давлением водорода. Катализаторами таких процессов в большинстве случаев выступают соединения переходных металлов, закрепленные на носителе — оксиде алюминия или цеолитах. Сегодня постоянно растет энергопотребление, а потому появляется спрос на природные энергоносители. В нефтепромышленности все чаще прибегают к переработке углеродсодержащего сырья и тяжелой нефти. Доля низкокачественного сырья повышается, и вместе с тем остро встает вопрос, как получать товарное топливо, отвечающее жестким экологическим стандартам по содержанию в них ароматических и сернистых соединений.

Как правило, тяжелое углеводородное сырье характеризуется высоким содержанием поликонденсированных ароматических соединений — полимеров из циклических молекул с системой непредельных связей между атомами углерода, — в том числе гетероатомных, то есть включающих атомы других элементов. На их удаление как раз и нацелены процессы каталитического облагораживания. Размер молекул таких соединений превышает диаметр пор носителя, что затрудняет их проникновение к активному компоненту и приводит к дезактивации традиционных катализаторов. Помимо поликонденсированных ароматических соединений некондиционное, то есть некачественное, углеродсодержащее сырье также включает воду. Она снижает эффективность процессов нефтепереработки, приводит к коррозии технологического оборудования, сокращает срок службы катализаторов.

Решить проблему наличия воды в сырье позволит использование наноразмерных катализаторов без носителя, распределенных в углеводородной среде. Они представляют собой сульфиды переходных металлов, никеля и молибдена. Отличительной особенностью таких катализаторов является возможность их синтеза непосредственно в реакционной среде in situ. Благодаря уникальной наноструктуре такие системы лишены недостатков традиционных «нанесенных» катализаторов. В то же время применение нанодисперсных (состоящих из наноразмерных частиц) систем без носителя позволяет вовлекать в переработку не только органические молекулы, но и активировать воду, взаимодействие которой с оксидом углерода приводит к образованию водорода. Он необходим для удаления органических молекул, содержащих серу. Получаемые жидкие продукты в дальнейшем могут быть использованы для производства экологичных моторных топлив.

«Катализаторы, которые мы получили во время исследования, позволяют не только исключить стадию отделения воды от сырья, но и использовать ее для очистки нефти. Такая одностадийная технология может лечь в основу процессов облагораживания тяжелой нефти во время ее добычи, а также переработки отходов нефтяной промышленности и повышения качества топлив», — отметила Анна Вутолкина, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат химических наук, научный сотрудник кафедры химии нефти и органического катализа химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.