Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) вместе с международными коллегами продемонстрировали процесс, который может дать вторую жизнь глицерину - дешёвому побочному продукту производства биодизеля. Работа опубликована в журнале Applied Catalysis B: Environment and Energy.

При производстве биодизеля на каждую тонну топлива образуется около 100 кг глицерина. В сыром виде он стоит всего около 0,11 доллара США за килограмм. Однако из него можно получать более ценные химические вещества, например глицеральдегид и дигидроксиацетон, которые используются в химической и фармацевтической промышленности и стоят примерно 75 и 150 долларов за килограмм соответственно.

Учёные изучали так называемый фотореформинг - процесс, в котором энергия света запускает химические реакции, одновременно производя водород и превращая органическое сырьё в полезные продукты. Для этого они создали фотокатализатор на основе сульфида цинка и индия, добавив к нему небольшие количества никеля и кобальта.

Под действием видимого света модифицированный катализатор выделял водород примерно в 10 раз быстрее, чем исходный материал. Кроме того, он менял ход реакции: заметно возрастала доля глицерина, который превращался в глицеральдегид и дигидроксиацетон. В испытаниях с имитацией солнечного света наблюдалось одновременное образование водорода и полезных органических продуктов, а скорость выделения водорода была сопоставима с другими описанными в литературе солнечными системами фотореформинга глицерина.

Чтобы понять, почему добавка никеля и кобальта меняет реакцию, исследователи наблюдали за катализатором прямо во время его работы. На синхротроне в Австралии они использовали методы рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS) и её быструю разновидность FE-XAS, которая позволяет следить за изменениями катализатора гораздо быстрее обычной. Оказалось, что под светом никель и кобальт переходят из преимущественно положительно заряженных ионов в более восстановленные состояния, связанные с активной формой катализатора. Эти изменения были обратимыми: при выключении света они исчезали, а повторные включения и выключения воспроизводились. Контрольные измерения в темноте подтвердили, что превращения вызваны именно светом, а не рентгеновским лучом.

Дополнительно с помощью инфракрасной микроспектроскопии на другом канале синхротрона учёные следили за молекулами на поверхности катализатора. Вместе эти методы позволили увидеть, какие участки отвечают за разные пути реакции. Выяснилось, что поверхность сульфида цинка и индия сама по себе в основном ведёт глицерин к образованию гидроксиацетона, а добавление никеля и кобальта усиливает выделение водорода и смещает реакцию в сторону глицеральдегида и дигидроксиацетона.

По словам доктора Денни Гунавана из UNSW, ценность подхода не только в получении водорода, но и в понимании того, как управлять химией процесса, направляя остаточный углерод в полезные продукты, а не в отходы. Исследователи отмечают, что метод может быть распространён и на другое биомассовое сырьё, однако пока это лишь лабораторная демонстрация, а не готовая промышленная технология.

Источник: Phys.org