Палладий — благородный металл, способный ускорять самые разные химические реакции. Благодаря этому свойству его применяют при производстве и очистке нефтепродуктов, при синтезе пластиковых материалов, а также при создании лекарств — 17 процентов всех химических реакций проводят с палладиевыми катализаторами.
Основной недостаток палладия как катализатора состоит в том, что его частицы часто слипаются в растворе, образуя неактивные крупные конгломераты — палладиевую чернь.
Решением этой проблемы занялись ученые Химического института имени А. М. Бутлерова Казанского федерального университета совместно с коллегами из Института органической и физической химии имени А. Е. Арбузова. Они предложили для стабилизации палладия наносить его на полимерные органические наночастицы.
В качестве основы для наночастиц химики взяли поверхностно-активные соединения, содержащие два типа функциональных фрагментов — карбеновые лиганды (лиганды, содержащие двухвалентный углерод, который вместо типичных для этого элемента четырех ковалентных связей, образует лишь две, а оставшиеся два электрона образуют неподеленную электронную пару), способные соединяться с палладием и стабилизировать его, а также азидные (алкинильные) фрагменты, благодаря сшиванию которых между собой молекулы собираются в полимерные наночастицы, по размеру сопоставимые с вирусом.
Исследователи проводили сборку и сшивку соединений в водном растворе, после чего к полимерному продукту добавляли соль палладия и аскорбиновую кислоту. В таких условиях ионы благородного металла оседали на полимерную подложку и при восстановлении формировали на их поверхности нанокластеры.
"Мы выяснили, что полимерные наночастицы в качестве носителя позволяют стабилизировать нанокластеры палладия и не дают им слипаться. Благодаря этому предложенная система позволит эффективно ускорять многие каталитические реакции, а также экономить реагенты за счет многократного использования. В дальнейшем мы планируем расширить круг используемых металлов, а также протестировать полученные каталитические системы в реакторах проточного типа", — рассказал доцент кафедры органической и медицинской химии Химического института имени А. М. Бутлерова КФУ Владимир Бурилов.
Для проверки каталитической активности новой системы исследователи провели модельную химическую реакцию восстановления пара-нитрофенола в воде. Расположенные на полимерной поверхности нанокластеры палладия на порядок ускорили химическую реакцию по сравнению со свободными палладиевыми частицами.
"Это можно объяснить тем, что носитель, по поверхности которого равномерно распределен палладий, не давал металлу образовать неактивные конгломераты. Такая система нивелирует главный недостаток чистого палладия", — отметил Бурилов.
Кроме того, ученые продемонстрировали возможность повторного использования катализатора до пяти циклов без потери активности. По их мнению, это делает его экологичнее и дешевле большинства других катализаторов.
Исследование было поддержано грантом Российского научного фонда.
