Новый материал на основе металлорганического каркаса и полимера, значительно ускоряющий химические реакции, разработали ученые Самарского государственного технического университета (СамГТУ) и Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария), 2 декабря сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу Российского научного фонда.

Эффективность катализатора с полимером в четыре раза выше, чем такое же соединение, но без него. Этот эффект достигается за счет заполнения полимером пор металлорганического каркаса и прикреплением к нему дополнительных каталитических частиц.

Этот катализатор также может использоваться несколько раз, что снижает как материальные затраты, так и нагрузку на окружающую среду.

Качества нового материала — его каталитическая эффективность и долговечность, делает его применение полезным для лабораторного химического синтеза и в промышленном производстве, в том числе при изготовлении моющих средств и красителей.

Металлорганические каркасы (MOF) — это кристаллические структуры из металлов и органических частиц. Пористое строение MOF обеспечивает им огромную площадь внутренней поверхности и позволяет использовать их в качестве эффективных катализаторов для ускорения химических реакций.

Катализаторы контактируют с реагентами, отсюда вытекает, что чем больше площадь такого взаимодействия, тем выше скорость процесса.

Обычно катализаторы приходят в негодность после нескольких циклов использования. У MOF, например, срок службы быстро сокращается из-за схлопывания пор. При введении туда дополнительных веществ, например, полимеров (как предложили исследователи СамГТУ), срок службы катализаторов существенно увеличится, так как полимеры будут служить своего рода распорками-стабилизаторами.

При синтезе металлорганического каркаса, обогащенного полимерами, за основу исследователи взяли MOF-структуру с ионами меди, обладающими каталитической активностью. Они обработали ее соединениями азота и углекислого газа, из которых полимеры синтезировались и встраивались в каркас.

Математические расчеты показали, что наиболее перспективными являлись структуры с наибольшей площадью контакта полимерных частиц с каркасом. Причем в этом случае полимер был способен самопроизвольно наращиваться с двух сторон, не требуя переориентации фрагментов для поддержания его роста.

Ученые также провели исследование, насколько полученный композит с дополнительно введенным в поры палладием как вторым катализатором способен ускорять реакцию взаимодействия соединения азота с органической кислотой — такие реакции широко используются, например, для производства красителей и моющих средств.

Эксперимент показал, что содержащие полимер металлорганические каркасы сохраняют свою эффективность вплоть до 16 циклов. Далее идет постепенное снижение их свойств, а после 24 цикла происходит полное прекращение работы.

При этом аналогичный композит MOF, но без полимера, сохранял активность только до шестого цикла. Ученые объяснили это различие тем, что полимер уменьшает колебания между органическими участками каркаса, предотвращая схлопывание пор, повышая тем самым стабильность катализатора и замедляя его разрушение.

Кроме того, полимер особым образом связывается с палладием, увеличивая его каталитическую активность.

Старший научный сотрудник СамГТУ кандидат химических наук Евгений Александров заявил:

«Мы разработали новый способ обогащения металлорганических каркасов полимерами. В результате полученный материал проявлял высокую каталитическую активность, которая сохранялась на протяжении многих циклов использования. Результаты исследования позволят повысить производительность микропористых катализаторов, а также использовать их во многих областях, связанных с экологией и энергетикой».

Описание проделанной работы ученые представили в статье, опубликованной в журнале Chemistry of Materials.