Študij mehanizma reakcije z inovativno integracijo eksperimentalnega dela in mikrokinetičnega modeliranja
Ministrstvo za energijo Združenih držav Amerike (US DOE) je levulinsko kislino (LA) uvrstilo med 12 najboljših platformnih kemikalij, proizvedenih iz biomase. LA je mogoče najti v različnih industrijskih sektorjih in ga je mogoče pretvoriti tudi v valerolactone (GVL), pentanoic/valeric kislino (PA) kot tudi v pentanoate/valerate estre. Tako je bila obsežno raziskana heterogena katalitska transformacija LA v GVL in PA v tekoči fazi. Vendar pa ima katalitska transformacija LA v tekoči fazi številne pomanjkljivosti, kot so zahteva po visokem tlaku, čiščenje po reakcijskem procesu, pa tudi varnost in emisije odpadkov. Hidrogeniranje LA v parni fazi daje priložnost za premagovanje teh pomanjkljivosti. Raziskani so številni katalizatorji: plemenite kovine (Pt, Ru), prehodne kovine (Ni, Cu) ali večkomponentni katalizatorji. Med temi Ni na zeolitnem ZSM-5 nosilcu kaže visok potencial.
Predstavljena študija povezuje razmerje med strukturo in aktivnostjo Ni/ZSM-5 katalizatorjev pri hidrogeniranju LA v parni fazi v kontinuirnem pretoku (tlak okolice, 210-250 oC). Medsebojna odvisnost Al in Ni je bila temeljito identificirana z naprednimi tehnikami karakterizacije ter dodatno podprta z mikrokinetičnim modeliranjem z uporabo novega pristopa, ki prikazuje pionirsko delo na področju matematičnega opisa pulzne sorpcije H2, kinetike TPD, DRIFT podprtega določanja sorpcijskih energijskih ovir in (de)sorpcijske kinetike. Katalizator Ni/ZSM-5 (3,7 w % Ni, Si/Al = 28) se je izkazal kot optimalna izbira za pridobivanje GVL kot želenega produkta. Al-bogati katalizatorji z visokimi količinami kislih mest in nizkimi koncentracijami kovinskega Ni aktivnega mesta so dajali prednost esterifikaciji, zmanjšali aktivnost hidrogeniranja in ovirali nadaljnje hidrogeniranje GVL v PA. Za izboljšanje tvorbe PA je bil kot ključen Ni/ZSM-5 (4 w % Ni, Si/Al = 750) z visokim razmerjem Si/Al. Kombinacija opisane eksperimentalne in modelne metodologije je dokazano koristna za natančno preučevanje sorpcijskih značilnosti in katalitskih aktivnosti Ni/ZSM-5 ali katerega koli drugega mono/bi-funkcionalnega katalizatorja.
Katalitsko hidrogeniranje estrov in karboksilnih kislin predstavlja temeljni in pomemben razred organskih transformacij, ki se široko uporablja v energetski, okoljski, kmetijski in farmacevtski industriji. Zaradi nizke reaktivnosti karbonilne skupine v karboksilnih kislinah in estrih pa je tovrstna reakcija precej zahtevna. Zato so za doseganje zadovoljivega izkoristka potrebni specifično aktivni katalizatorji.
Hue-Tong Vu, Žan Lavrič, Miha Grilc, Petar Djinović and Nataša Novak Tušar so s soavtorji iz Odseka za anorgansko kemijo in tehnologijo (D09), Odseka za kemijo materialov (D10) in Odseka za katalizo in reakcijsko inženirstvo (D13) na Kemijskem inštitutu objavili rezultate te raziskave v reviji Chemical Engineering Journal (IF = 15.1).
PUBLIKACIJA
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724049453