Зображення обкладинки

Дизайн новітніх поліфункціональних каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів з відновлюваної сировини (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 липня 2024 р.)

У доповіді наведено результати розроблення новітніх каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів, компонентів моторних палив та полімерних матеріалів з біоспиртів. Запропоновано каталізатори з високими показниками селективності й продуктивності для одержання бута-1,...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Вісник НАН України
Дата:2024
Автор: Ларіна, О.В.
Формат: Стаття
Мова:Українська
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2024
Теми:
Молоді вчені
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202028
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Дизайн новітніх поліфункціональних каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів з відновлюваної сировини (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 липня 2024 р.) / О.В. Ларіна // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 9. — С. 65-72. — Бібліогр.: 18 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859912367818670080
author Ларіна, О.В.
author_facet Ларіна, О.В.
citation_txt Дизайн новітніх поліфункціональних каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів з відновлюваної сировини (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 липня 2024 р.) / О.В. Ларіна // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 9. — С. 65-72. — Бібліогр.: 18 назв. — укр.
collection DSpace DC
container_title Вісник НАН України
description У доповіді наведено результати розроблення новітніх каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів, компонентів моторних палив та полімерних матеріалів з біоспиртів. Запропоновано каталізатори з високими показниками селективності й продуктивності для одержання бута-1,3-дієну та ізомерів бутену — мономерів для виробництва гуми та пластмас з етанолу та ізобутанолу відповідно. Вперше реалізовано в проточному режимі в присутності каталітичних Mg-Al-оксидних систем процес газофазної конденсації бутан-1-олу в 2-етилгексан-1-ол, який використовують у виробництві пластифікаторів і добавок до дизельного палива. Експериментально показано можливість послідовного перетворення в одному реакторі етанол → бутан-1-ол → 2-етилгексан-1-ол, що дозволяє отримувати 2-етилгексан-1-ол безпосередньо з етанолу. The scientific report presents the results of development of the latest multifunctional catalysts for the processes of obtaining strategically important organic products, components of motor fuels and polymer materials from renewable raw materials (bio-alcohols). Buta-1,3-diene is an important chemical product necessary for the production of a number of strategic materials. Reactive oligomers, binding high-energy compositions obtained by thermally initiated radical polymerization of buta-1,3-diene, are key components of rocket and aerospace fuels. Currently, Ukraine does not have its own production of buta-1,3-diene, and its import is limited due to the possibility of dual use. In view of the reduction in world oil reserves and the problem of reducing carbon dioxide emissions, the development of methods of obtaining strategically important organic products from renewable raw materials (bio-alcohols) is an important task of today. Ethanol and 2-methylpropan-1-ol (isobutanol), obtained by processing biomass, can be the basis for the production of monomers of synthetic polymers (alkenes, dienes) and additives for motor fuels (butan-1-ol, 2-ethylhexan-1-ol). In L.V. Pisarzhevskii Institute of Physical Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine, a number of effective catalysts for obtaining buta-1,3-diene from ethanol and ethanol-water mixtures is developed, which are not inferior to well-known foreign analogues in terms of their indices (selectivity, productivity). For the first time, the process of gas-phase condensation of butan-1-ol into 2-ethylhexan- 1-ol is realized in a flow mode over catalytic Mg-Al-oxide systems. The possibility of sequential transformation: ethanol → butan-1-ol → 2-ethylhexan-1-ol, under atmospheric pressure in a flow reactor is confirmed. This will allow obtaining 2-ethylhexan-1-ol directly from ethanol. Effective under mild conditions (temperature 175 °С) iron silicate zeolite catalysts are developed, which ensure isobutanol conversion into linear isomers of butene with selectivity at the level of known foreign analogues. Further development of physico-chemical principles of creating highly active and selective catalysts for bio-alcohol conversion into monomers of synthetic polymers (alkenes, dienes) and higher alcohols will create the prerequisites for establishing in Ukraine the production of strategically important polymer materials and components of motor fuels from renewable raw materials. This will ensure a decrease in the dependence of domestic industry on importing the specified products and will contribute to the post-war reconstruction of Ukraine.
first_indexed 2025-12-07T16:03:02Z
format Article
fulltext ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 9 65 ДИЗАЙН НОВІТНІХ ПОЛІФУНКЦІОНАЛЬНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ ДЛЯ ПРОЦЕСІВ ОТРИМАННЯ СТРАТЕГІЧНО ВАЖЛИВИХ ОРГАНІЧНИХ ПРОДУКТІВ З ВІДНОВЛЮВАНОЇ СИРОВИНИ За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 липня 2024 р. У доповіді наведено результати розроблення новітніх каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів, компо- нентів моторних палив та полімерних матеріалів з біоспиртів. Запропо- новано каталізатори з високими показниками селективності й продук- тивності для одержання бута-1,3-дієну та ізомерів бутену — мономерів для виробництва гуми та пластмас з етанолу та ізобутанолу відповід- но. Вперше реалізовано в проточному режимі в присутності каталітич- них Mg-Al-оксидних систем процес газофазної конденсації бутан-1-олу в 2-етилгексан-1-ол, який використовують у виробництві пластифікаторів і добавок до дизельного палива. Експериментально показано можливість послідовного перетворення в одному реакторі етанол  бутан-1-ол  2-етилгексан-1-ол, що дозволяє отримувати 2-етилгексан-1-ол безпосе- редньо з етанолу. Ключові слова: каталізатор, перетворення біоспиртів, етанол, бутан-1-ол, ізобутанол, мономери синтетичних полімерів, лінійні бутени, бута-1,3- дієн, компоненти моторних палив, 2-етилгексан-1-ол. Бута-1,3-дієн, лінійні ізомери бутену та 2-етилгексан-1-ол є важливими хімічними продуктами, необхідними для одержан- ня низки матеріалів стратегічного призначення. Так, 2-етил- гексан-1-ол використовують у виробництві пластифікаторів, екологічно безпечних мийних засобів, розчинників, добавок до дизельного палива. Ізомери бутену та бута-1,3-дієн є важли- вими мономерами для виробництва гуми, еластомерів та полі- мерних смол, зокрема для автомобільної промисловості (шини, зовнішні та внутрішні пластикові деталі автомобіля). Крім того, бута-1,3-дієн є сировиною подвійного призна- чення. Так, як ключові компоненти сумішевих твердих палив ЛАРІНА Ольга Вікторівна — кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник відділу каталітичних окисно- відновних процесів Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2024.09.065 66 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (9) МОЛОДІ ВЧЕНІ Рис. 1. Показники процесу перетворення етанол-вод- них сумішей у бута-1,3-дієн (селективність, вихід) на каталізаторах ZnO/MgO-SiO2 [4] для ракетної техніки та аерокосмічних засобів використовують реакційноздатні олігомери, зв’язуючі високоенергетичні композиції, які отримують термоініційованою радикальною полімеризацією бута-1,3-дієну. Україна на сьогодні не має власного вироб- ництва 2-етилгексан-1-олу, бутенів, бута-1,3- дієну. Більше того, імпорт бута-1,3-дієну є об- меженим через можливість його подвійного використання. На глобальному ринку бута- 1,3-дієну провідні позиції посідають країни Азійсько-Тихоокеанського регіону, зокрема Китай. Основний спосіб виробництва бута-1,3- дієну — з С4-фракції, отриманої паровим кре- кінгом нафти 1. Збільшення внутрішнього по- питу на реакційноздатні олігомери та пов’язані з цим проблеми із закупівлею сировини на міжнародному ринку зумовили необхідність організувати виробництво олігомерів бута-1,3- дієну в Україні. Згідно з технічним завданням ДП «КБ «Південне» ім. М.К. Янгеля», ТОВ НІК «ЕЛКО» розробило техніко-економічне обґрунтування створення в Україні замкне- ного циклу виробництва реакційноздатного 1 Butadiene Market Size, Share, and Trends 2024 to 2034. Precedence Research. 2023. http://surl.li/aoqxti; Buta- diene Market Analysis. Coherent Market Insights Pvt Ltd. 2024. http://surl.li/dexsdj; Synthetic & Bio-based Butadiene Market. Global Market Insights Inc. 2023. http://surl.li/hjkurj рідкого каучуку з бута-1,3-дієну, підготувало вихідні дані для проєктування технологічної частини проєкту виробничо-експерименталь- ного комплексу з виробництва рідкого каучуку з кінцевими функціональними групами. Тому розроблення процесу одержання бута-1,3- дієну з вітчизняної сировини є актуальним та важливим завданням. Останні два десятиліття пріоритетним на- прямом досліджень у хімічній галузі є розро- блення процесів синтезу промислово важли- вих хімічних сполук, зокрема бута-1,3-дієну, з використанням біоспиртів, про що свідчать публікації в науковій літературі [див., напр., 1, 2]. У 2024 р. всесвітньо відомий виробник шин «Michelin» за підтримки французької на- укової установи IFPEN та компанії «Axens» анонсував початок промислового виробни- цтва біобута-1,3-дієну з біоетанолу у Франції 2. За даними ПРАТ «Українська технологічна компанія»3, перспективною сировиною для виробництва біоетанолу в Україні є цукрові буряки, фуражне зерно, кукурудза та меляса. За інформацією ТОВ «Агротехнолоджі» та ГО «Укрбіоетанол»4, в Україні у 2022 р. потуж- ності для виробництва біоетанолу становили близько 380 тис. т/рік, з них на територіях, віддалених від зони бойових дій, — близько 280 тис. т/рік. Відповідне обладнання встанов- лено на 22 агропідприємствах. Виробництво біобутан-1-олу та біоізобутанолу можливе на потужностях установок з виробництва біоета- нолу. Наприклад, виробництво біоізобутанолу успішно реалізували американські компанії «Gevo Inc.»5 та «Nesika Energy, LLC.»6, а ви- робництво біобутан-1-олу шляхом ацетон-бу- 2 Michelin, IFPEN and Axens inaugurate the first industrial-scale demonstrator of a plant producing butadiene from bioethanol in France. Michelin’s Press Release. 2024. http://surl.li/cpzbfv 3 Біоетанол: Практика застосування біоетанолу. UTC. 2024. http://surl.li/arnrvl 4 Циганков П., Миколаєнко Т. Біоетанол. Стан та оцін- ка галузі в Україні. Latifundist Media. 2023. 5 Isobutanol Is a Building Block for Advanced Renewable Fuels and More. Gevo, Inc. 2024. http://surl.li/adfoci 6 Nesika Energy. 2024. https://www.nesikaenergyllc.com/ ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 9 67 МОЛОДІ ВЧЕНІ Рис. 2. Спектри дифузного відбиття в УФ та видимій ділянці спектра для каталізаторів Ta/SiBEA і Cu/Ta/ SiBEA та схематичне зображення процесу перетво- рення етанолу в бута-1,3-дієн на каталізаторі Cu/Ta/ SiBEA [6] танол-етанольного бродіння — шотландська фірма «Celtic Renewables Ltd.». Розроблення високоактивних і селективних каталізаторів процесів перетворення біоспир- тів у мономери синтетичних полімерів та вищі спирти створить передумови для налагоджен- ня в Україні виробництва стратегічно важли- вих полімерних матеріалів та компонентів мо- торних палив з відновлюваної сировини, що дозволить зменшити залежність вітчизняної промисловості від імпорту цих продуктів. Тому метою наших досліджень було ство- рення ефективних каталізаторів перетворення С2, С4-біоспиртів у промислово важливі хіміч- ні продукти (бута-1,3-дієн, 2-етилгексан-1-ол, ізомери бутену) шляхом регулювання функці- ональних властивостей поверхні оксидних та цеолітних систем. В Інституті фізичної хімії ім. Л.В. Писар- жевського НАН України розроблено низку ефективних каталізаторів для одержання бута- 1,3-дієну з етанолу. Досліджено вплив співвід- ношення MgO:SiO2 у складі каталізатора ZnO/ MgO-SiO2 в процесі перетворення етанол- водних сумішей у бута-1,3-дієн (рис. 1) [3, 4]. Досягнуто селективності утворення бута- 1,3-дієну понад 60 % в процесі перетворення 80 % об. етанолу. Показано, що одночасна при- сутність на поверхні каталізатора активних центрів — цинквмісних та магнієвмісних — за- безпечує високі показники процесу внаслідок прискорення ключових стадій послідовних перетворень етанолу (дегідрування етанолу до ацетальдегіду, альдольна конденсація ацеталь- дегіду). Продуктивність оксидної системи Zn/ Mg-Si за цільовим продуктом бута-1,3-дієном у разі використання як вихідної речовини ета- нолу-ректифікату становить 0,26 г/г каталіза- тора за годину, а в разі використання 80 % об. етанолу — до 0,15 г/г каталізатора за годину. Використання цеолітних каталізаторів, у тому числі структури ВЕА, в процесі одер- жання бута-1,3-дієну з етанолу зумовлено можливістю спрямованого регулювання їхніх функціональних властивостей на етапі син- тезу, зокрема деалюмінуванням з подальшим введенням у кристалічну ґратку катіонів пев- них гетероелементів. Цеолітні каталізатори Ta/SiBEA, отримані постсинтетичним вбудо- вуванням танталу в деалюмінований цеоліт структури ВЕА, за показниками селективнос- ті утворення бута-1,3-дієну (80—90 %, вихід ~35 %) в процесі перетворення суміші етанол- ацетальдегід перевершують відомі тантал-си- лікатні каталізатори [5]. Модифікування цеолітного каталіз атора Ta/SiBEA d-металами (Cu, Ag, Zn) дозволяє одержувати бута-1,3-дієн конверсією етанолу з високим виходом цільового продукту. Роль d-металів полягає переважно у формуванні активних центрів для перебігу реакції дегідру- вання етанолу до ацетальдегіду, тоді як подаль- ше перетворення суміші етанол-ацетальдегід відбувається на танталовмісних кислотних центрах цеоліту (кислотним центром Льюї- са виступає іон Ta5+, локалізований у вакансії Т-атомів матриці SiBEA). На рис. 2 наведено схему процесу одержання бута-1,3-дієну з ета- нолу в присутності Cu/Ta/SiBEA. На цеоліт- них каталізаторах Cu/Ta/SiBEA селективність 68 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (9) МОЛОДІ ВЧЕНІ Рис. 3. Показники перетворення етанол-водних сумі- шей у бута-1,3-дієн на оксидному каталізаторі Zn-La- Zr-Si, Т = 400 °С [9] утворення бута-1,3-дієну з етанолу становить ~73 %, вихід за цільовим продуктом — ~64 % [6]. Результати цих досліджень було опублі- ковано в журналі Американського хімічного товариства «ACS Sustainable Chemistry and Engineering», і на обкладинку номеру винесе- но запропоновану нами схему перетворення етанолу в бута-1,3-дієн. Ще однією метою наших досліджень було встановлення впливу природи силікатного носія у складі оксидних систем ZnLaZr/Si як каталізаторів процесу перетворення 80 % об. етанолу в бута-1,3-дієн. Найбільші значення селективності за бута-1,3-дієном (до 68 %) та продуктивності (до 0,324 г/г каталізатора за годину) досягнуто на каталізаторі, приготов- леному на основі цирконієвмісного деалюмі- нованого цеоліту структури BEA [7]. Окремі дослідження було спрямовано на вивчення різних аспектів перетворення ета- нол-водних сумішей в присутності розробле- них нами оксидних систем. Використання концентрованих розчинів етанолу, які можна отримати з ферментаційного бульйону швид- кою сепарацією, дозволяє уникнути недоліків використання розбавлених розчинів етанолу, а саме: високих енергетичних витрат на нагрі- вання реакційної суміші, низьких показників процесу перетворення етанолу в бута-1,3-дієн. Присутність води в реакційній суміші порів- няно з використанням етанолу-ректифіка- ту спричиняє зниження конверсії етанолу та зменшення селективності за бута-1,3-дієном у результаті блокування частини центрів реакції альдольної конденсації ацетальдегіду як клю- чової стадії процесу та збільшення селектив- ності за побічними продуктами (продуктами дегідратації етанолу). Негативний вплив води на показники ці- льового процесу збільшується з підвищенням її вмісту в реакційній суміші (рис. 3). Модифі- кування Zn(Cu)ZrSi метал-оксидних систем сполуками лантану сприяє підвищенню селек- тивності за бута-1,3-дієном у присутності води в реакційній суміші. Це зумовлено формуван- ням додаткових основних центрів за участю катіонів лантану [8]. Чотирикомпонентний каталізатор ZnO/ LaxOy/ZrO2-SiO2 характеризується наявніс- тю різних типів активних центрів: цинквміс- них — для реакції дегідрування етанолу до аце- тальдегіду; лантан- і цирконієвмісних — для альдольної конденсації ацетальдегіду та по- дальшого відновлення кротонового альдегіду етанолом, які разом забезпечують ефективний перебіг процесу перетворення етанолу в бута- 1,3-дієн. Розроблений каталізатор забезпечує перетворення етанолу в бута-1,3-дієн з висо- кою продуктивністю (до 0,7 г/г каталізатора за годину), що перевершує показники відомих на момент публікації наших результатів [10] аналогів, і може використовуватися в процесі перетворення етанол-водних сумішей з висо- кими виходами бута-1,3-дієну [9]. Що стосується отримання 2-етилгексан-1- олу — важливого субстрату в процесах одер- жання пластифікаторів, поверхнево-активних речовин, добавок до мастил та олив, то в Інсти- туті фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України вперше реалізовано процес газо- фазної конденсації бутан-1-олу в 2-етилгексан- 1-ол в проточному режимі в присутності ката- літичних Mg-Al-оксидних систем, отриманих термічним розкладанням гідроталькітів, та підтверджено можливість послідовного пере- творення: етанол  бутан-1-ол 2-етилгексан- ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 9 69 МОЛОДІ ВЧЕНІ 1-ол за атмосферного тиску в проточному ре- акторі. Це дозволяє отримувати 2-етилгексан- 1-ол безпосередньо з етанолу. Найбільший ви- хід С4, С8-спиртів досягається в присутності Mg-Al-оксидних каталізаторів із Mg:Al = 2:1, що зумовлено оптимальним співвідношенням кислотних та основних центрів на їхній по- верхні (рис. 4) [11, 12]. Гідроксиапатити (ГАП) кальцію також є пер- спективними каталізаторами конденсації спир- тів, зокрема бутан-1-олу, з подвоєнням вуглеце- вого ланцюга в проточному режимі (див. табл.). Ми реалізували два шляхи підвищення актив- ності таких систем та селективності процесу за цільовим продуктом — 2-етил гексан-1-олом: модифікування поверхні лужноземельними елементами [13] і використання активованого вугілля як носія активної фази [14]. Ще один напрям наших досліджень по в’я- за ний з одержанням з ізобутанолу лінійних ізомерів бутену — мономерів для виробництва пластмас. На основі встановленого впливу кислотно-основних характеристик алюмоси- лікатних цеолітів різних структурних типів на перебіг процесу перетворення ізобутанолу по- казано, що наявність на поверхні цеолітів FER Рис. 4. Схематичне зображення послідовного перетворення етанолу в 2-етилгексан-1-ол з використанням оксид- них каталізаторів Mg-Al та залежність продуктивності оксидних каталізаторів Mg-Al щодо процесів перетворення етанолу в бутан-1-ол і бутан-1-олу в 2-етилгексан-1-ол від співвідношення кислотності й основності поверхні [11] Показники газофазного перетворення бутан-1-олу в 2-етилгексан-1-ол (2-ЕГ) на відомих каталізаторах Каталізатор T, ˚C Wм, г гкат –1 год–1 S (2-ЕГ), % Y (2-ЕГ), % P (2-ЕГ), мг гкат –1 год–1 Джерело Mg-Al (1:1) 300 0,34 57 11 32 [11] Са-ГАП 300 0,03 82 65 17 [13] 0,11 76 29 28 СаMg2,5-ГАП 300 0,03 77 68 18 0,11 78 28 27 Ca-ГАП/RWAM 300 0,17 50 25 37 [14] Ca-ГАП/GF 300 0,13 70 20 23 0,17 75 16 24 Са-ГАП 325 0,51 45 34 11 [15] 375 0,13 47 3 37 Cu-Mg-Al (1:69:30) 280 2,4 8 2 36 [16] 70 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (9) МОЛОДІ ВЧЕНІ та MFI сильних кислотних центрів Бренсте- да зумовлює високу селективність утворення лінійних бутенів, зокрема для FER — до 78 % (рис. 5) [17]. Розроблено ефективні за м’яких умов (температура 175 °С) цеолітні (струк- тури MFI) залізосилікат ні каталізатори, які забезпечують перетворення ізобутанолу в лі- нійні ізомери бутену із селективністю на рівні відомих зарубіжних аналогів [18]. Напрями наших подальших досліджень можна окреслити так. Для отримання бута-1,3- дієну, придатного для виготовлення реакцій- ноздатних олігомерів без проведення складних операцій дистиляції продуктів перетворення етанолу, необхідно поліпшити показники се- лективності за продуктами. При переході від лабораторних досліджень до промислового процесу важливим завданням є проведення досліджень на пілотній установці, яка дозво- ляє як змоделювати сам процес виробництва, так і дослідити реальні ресурсні характеристи- ки каталізаторів. Для реалізації виробництва бута-1,3-дієну потрібно розробити технологію виготовлення промислових партій каталіза- торів. Дослідження за цим напрямом розпо- чалися ще до повномасштабного вторгнення РФ, але їх довелося призупинити, оскільки співробітники відділу каталітичних окисно- відновних процесів Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України, Павло Кирієнко та Іван Ремезовський, вступили до лав Збройних сил України. Незважаючи на помітні успіхи в досягненні високих показників активності та селектив- ності Mg-Al та Ca-P оксидних систем у процесі конденсації бутан-1-олу в 2-етилгексан-1-ол, стабільність їхньої роботи в часі залишається ключовою проблемою. Поглиблення знань про механізм дезактивації та з’ясування шляхів збільшення часу ефективної роботи каталіза- тора має важливе значення для його промис- лового застосування. Подальші зусилля з удосконалення проце- су перетворення ізобутанолу в лінійні ізоме- ри бутену ми плануємо спрямувати на пошук шляхів поліпшення цеолітних каталізаторів за показниками активності, селективності, про- дуктивності (зокрема, введенням добавок ге- тероелементів різної хімічної природи). Викладені в доповіді результати досліджень отримано в рамках виконання проєкту «Роз- роблення каталізаторів нового покоління про- цесу конверсії біоетанолу в 1,3-бутадієн для подальшого синтезу реакційноздатних олі- гомерів як зв’язуючих високоенергетичних композицій» цільової програми наукових до- сліджень НАН України «Нові функціональні речовини і матеріали хімічного виробництва» (РК № 0119U101562), який ми реалізовували спільно з Інститутом хімії високомолекуляр- них сполук НАН України; тем фундаменталь- них досліджень відділу каталітичних окисно- відновних процесів Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України (РК № 0118U003270; 0120U101212; 0122U200470); проєкту НДР молодих вчених НАН України «Дизайн модифікованих Y-Mg-Si(Al) оксид- них каталізаторів для одержання важливих продуктів (1,3-бутадієну, 1-бутанолу) з біо- етанолу» (РК № 0121U111813); гранту НАН України дослідницькій групі молодих вчених «Розроблення нових каталізаторів процесів перетворення одно-, двохатомних (біо)спир- тів у важливі дієни, вуглеводні, оксигенати, Рис. 5. Селективність за продуктами в процесі пере- творення ізобутанолу на цеолітних каталізаторах різ- них структурних типів, конверсія ~33 %, Т = 200 °С [17] ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 9 71 МОЛОДІ ВЧЕНІ інгредієнти фармацевтичних препаратів» (РК № 0124U002117). Автор висловлює вдячність Національно- му фонду досліджень України (проєкт за реє- страційним номером 2021/01/0017 «Дизайн нанокомпозитних метал-оксидних каталі- заторів окиснювальної конверсії С1-4-алканів та діоксиду вуглецю з одержанням водню/ синтез-газу, цінних органічних сполук» (РК № 0123U102607)) та Консорціуму науково- дослідницької інфраструктури Центральної Європи (CERIC-ERIC) за часткову фінансову підтримку й доступ до наукового обладнання. REFERENCES 1. Geleynse S., Brandt K., Garcia-Perez M., Wolcott M., Zhang X. The Alcohol-to-Jet Conversion Pathway for Drop-In Biofuels: Techno-Economic Evaluation. ChemSusChem. 2018. 11: 3728—3741. https://doi.org/10.1002/cssc.201801690 2. Janssens W., Makshina E.V., Vanelderen P., De Clippel F., Houthoofd K., Kerkhofs S., Martens J., Jacobs P., Sels B.F. Ternary Ag/MgO-SiO2 Catalysts for the Conversion of Ethanol into Butadiene. ChemSusChem. 2015. 8: 994—1008. https://doi.org/10.1002/cssc.201402894 3. Larina O.V., Kyriienko P.I., Soloviev S.O. Ethanol Conversion to 1,3-Butadiene on ZnO/MgO–SiO2 Catalysts: Ef- fect of ZnO Content and MgO:SiO2 Ratio. Catal. Letters. 2015. 145: 1162—1168. https://doi.org/10.1007/s10562-015-1509-4 4. Kyriienko P.I., Larina O.V., Balakin D.Y., Stetsuk A.O., Nychiporuk Y.M., Soloviev S.O., Orlyk S.M. 1,3-Butadiene production from aqueous ethanol over ZnO/MgO-SiO2 catalysts: Insight into H2O effect on catalytic performance. Appl. Catal. A Gen. 2021. 616: 118081. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2021.118081 5. Kyriienko P.I., Larina O.V., Soloviev S.O., Orlyk S.N., Dzwigaj S. High selectivity of TaSiBEA zeolite catalysts in 1,3-butadiene production from ethanol and acetaldehyde mixture. Catal. Commun. 2016. 77: 123—126. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2016.01.023 6. Kyriienko P.I., Larina O.V., Soloviev S.O., Orlyk S.M., Calers C., Dzwigaj S. Ethanol Conversion into 1,3-Butadiene by the Lebedev Method over MTaSiBEA Zeolites (M = Ag, Cu, Zn). ACS Sustain. Chem. Eng. 2017. 5: 2075—2083. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b01728 7. Larina O.V., Shcherban N.D., Kyriienko P.I., Remezovskyi I.M., Yaremov P.S., Khalakhan I., Mali G., Soloviev S.O., Orlyk S.M., Dzwigaj S. Design of Effective Catalysts Based on ZnLaZrSi Oxide Systems for Obtaining 1,3-Butadi- ene from Aqueous Ethanol. ACS Sustain. Chem. Eng. 2020. 4: 16600—16611. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c05925 8. Kyriienko P.I., Larina O.V., Balakin D.Y., Vorokhta M., Khalakhan I., Sergiienko S.A., Soloviev S.O., Orlyk S.M. The effect of lanthanum in Cu/La(-Zr)-Si oxide catalysts for aqueous ethanol conversion into 1,3-butadiene. Mol. Catal. 2022. 518: 112096. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2021.112096 9. Larina O.V., Remezovskyi I.M., Kyriienko P.I., Soloviev S.O., Orlyk S.M. 1,3-Butadiene production from ethanol– water mixtures over Zn–La–Zr–Si oxide catalyst. React. Kinet. Mech. Catal. 2019. 127: 903—915. https://doi.org/10.1007/s11144-019-01618-5 10. Larina O.V., Kyriienko P.I., Soloviev S.O. Effect of Lanthanum in Zn-La(-Zr)-Si Oxide Compositions on their Activ- ity in the Conversion of Ethanol into 1,3-Butadiene. Theor. Exp. Chem. 2016. 52: 51—56. https://doi.org/10.1007/s11237-016-9450-1 11. Larina O.V., Valihura K.V., Kyriienko P.I., Vlasenko N.V., Balakin D.Y., Khalakhan I., Čendak T., Soloviev S.O., Or- lyk S.M. Successive vapour phase Guerbet condensation of ethanol and 1-butanol over Mg-Al oxide catalysts in a flow reactor. Appl. Catal. A Gen. 2019. 588: 117265. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2019.117265 12. Larina O.V., Valihura K.V., Čendak T. Effect of the cerium modification on acid-base properties of Mg-Al hydro- talcite-derived oxide system and catalytic performance in ethanol conversion. React. Kinet. Mech. Catal. 2021. 132: 359—378. https://doi.org/10.1007/s11144-020-01907-4 13. Zikrata O.V., Larina O.V., Valihura K.V., Kyriienko P.I., Balakin D.Y., Khalakhan I., Veltruská K., Krajnc A., Mali G., Soloviev S.O., Orlyk S.M. Successive Vapor-Phase Guerbet Condensation of Ethanol and 1-Butanol to 2-Ethyl- 1-hexanol over Hydroxyapatite Catalysts in a Flow Reactor. ACS Sustain. Chem. Eng. 2021. 9: 17289—17300. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c06094 72 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (9) МОЛОДІ ВЧЕНІ 14. Larina O.V., Zikrata O.V., Shcherban N.D., Yaremov P.S., Rostas A.M., Khalakhan I., Veltruská K., Mali G., Soloviev S.O., Orlyk S.M. Carbon-supported hydroxyapatite hybrid catalysts for butan-1-ol conversion: Effect of the nature of car- bon support on process selectivity. Carbon N.Y. 2024. 227: 119272. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119272 15. Eagan N.M., Moore B.M., McClelland D.J., Wittrig A.M., Canales E., Lanci M.P., Huber G.W. Catalytic synthesis of distillate-range ethers and olefins from ethanol through Guerbet coupling and etherification. Green Chem. 2019. 21: 3300—3318. https://doi.org/10.1039/C9GC01290G 16. Raspolli Galletti A.M., Antonetti C., Fulignati S., Licursi D., Dell’Omo S., Benito P., Wilbers E., Heeres H.J. Upgrad- ing bio-butanol in the presence of copper-hydrotalcite derived mixed oxides: From batch to continuous flow catalytic process highly selective to butyl butyrate. Catal. Today. 2023. 423: 114288. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2023.114288 17. Zikrata O.V., Larina O.V., Balakin D.Y., Nychiporuk Y.M., Khalakhan I., Švegovec M., Volavšek J., Yaremov P.S., Soloviev S.O., Orlyk S.M. Influence of Acid-Base Characteristics of Different Structural-Type Zeolites (FER, MFI, FAU, BEA) on Their Activity and Selectivity in Isobutanol Dehydration. ChemCatChem. 2024. 2024: e202400068. https://doi.org/10.1002/cctc.202400068 18. Larina O.V., Zikrata O.V., Kurmach M.M., Veltruská K., Krmpotić M., Jakšić M., Shamzhy M., Shvets O.V., Solo- viev S.O. M-MFI (M = B, Al, Fe, Ga) zeolite as perspective catalysts for the conversion of isobutanol to linear bu- tenes. In: Proceedings of the 18th International Congress on Catalysis (Lyon, France, 2024). Olga V. Larina L.V. Pisarzhevskii Institute of Physical Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6359-1512 DESIGN OF THE LATEST MULTIFUNCTIONAL CATALYSTS FOR THE PROCESSES OF OBTAINING STRATEGICALLY IMPORTANT ORGANIC PRODUCTS FROM RENEWABLE RAW MATERIALS According to the materials of report at the meeting of the Presidium of the NAS of Ukraine, July 10, 2024 The scientific report presents the results of development of the latest multifunctional catalysts for the processes of obtaining strategically important organic products, components of motor fuels and polymer materials from renewable raw materials (bio-alcohols). Buta-1,3-diene is an important chemical product necessary for the production of a number of strategic ma- terials. Reactive oligomers, binding high-energy compositions obtained by thermally initiated radical polymerization of buta-1,3-diene, are key components of rocket and aerospace fuels. Currently, Ukraine does not have its own production of buta-1,3-diene, and its import is limited due to the possibility of dual use. In view of the reduction in world oil reserves and the problem of reducing carbon dioxide emissions, the development of methods of obtaining strategically important or- ganic products from renewable raw materials (bio-alcohols) is an important task of today. Ethanol and 2-methylpropan-1-ol (isobutanol), obtained by processing biomass, can be the basis for the production of monomers of synthetic polymers (al- kenes, dienes) and additives for motor fuels (butan-1-ol, 2-ethylhexan-1-ol). In L.V. Pisarzhevskii Institute of Physical Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine, a number of effective catalysts for obtaining buta-1,3-diene from ethanol and ethanol-water mixtures is developed, which are not inferior to well-known foreign analogues in terms of their indices (selectivity, productivity). For the first time, the process of gas-phase condensation of butan-1-ol into 2-ethyl- hexan-1-ol is realized in a flow mode over catalytic Mg-Al-oxide systems. The possibility of sequential transformation: ethanol  butan-1-ol  2-ethylhexan-1-ol, under atmospheric pressure in a flow reactor is confirmed. This will allow ob- taining 2-ethylhexan-1-ol directly from ethanol. Effective under mild conditions (temperature 175 °С) iron silicate zeolite catalysts are developed, which ensure isobutanol conversion into linear isomers of butene with selectivity at the level of known foreign analogues. Further development of physico-chemical principles of creating highly active and selective cata- lysts for bio-alcohol conversion into monomers of synthetic polymers (alkenes, dienes) and higher alcohols will create the prerequisites for establishing in Ukraine the production of strategically important polymer materials and components of motor fuels from renewable raw materials. This will ensure a decrease in the dependence of domestic industry on importing the specified products and will contribute to the post-war reconstruction of Ukraine. Keywords: catalyst, bio-alcohol conversion, ethanol, butan-1-ol, isobutanol, monomers of synthetic polymers, linear butenes, buta-1,3-diene, components of motor fuels, 2-ethylhexan-1-ol. Cite this article: Larina O.V. Design of the latest multifunctional catalysts for the processes of obtaining strategically important organic products from renewable raw materials. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2024. (9): 65—72. https://doi.org/10.15407/visn2024.09.065
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-202028
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1027-3239
language Ukrainian
last_indexed 2025-12-07T16:03:02Z
publishDate 2024
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Ларіна, О.В.
2025-02-22T15:49:05Z
2024
Дизайн новітніх поліфункціональних каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів з відновлюваної сировини (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 липня 2024 р.) / О.В. Ларіна // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 9. — С. 65-72. — Бібліогр.: 18 назв. — укр.
1027-3239
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202028
DOI: doi.org/10.15407/visn2024.09.065
У доповіді наведено результати розроблення новітніх каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів, компонентів моторних палив та полімерних матеріалів з біоспиртів. Запропоновано каталізатори з високими показниками селективності й продуктивності для одержання бута-1,3-дієну та ізомерів бутену — мономерів для виробництва гуми та пластмас з етанолу та ізобутанолу відповідно. Вперше реалізовано в проточному режимі в присутності каталітичних Mg-Al-оксидних систем процес газофазної конденсації бутан-1-олу в 2-етилгексан-1-ол, який використовують у виробництві пластифікаторів і добавок до дизельного палива. Експериментально показано можливість послідовного перетворення в одному реакторі етанол → бутан-1-ол → 2-етилгексан-1-ол, що дозволяє отримувати 2-етилгексан-1-ол безпосередньо з етанолу.
The scientific report presents the results of development of the latest multifunctional catalysts for the processes of obtaining strategically important organic products, components of motor fuels and polymer materials from renewable raw materials (bio-alcohols). Buta-1,3-diene is an important chemical product necessary for the production of a number of strategic materials. Reactive oligomers, binding high-energy compositions obtained by thermally initiated radical polymerization of buta-1,3-diene, are key components of rocket and aerospace fuels. Currently, Ukraine does not have its own production of buta-1,3-diene, and its import is limited due to the possibility of dual use. In view of the reduction in world oil reserves and the problem of reducing carbon dioxide emissions, the development of methods of obtaining strategically important organic products from renewable raw materials (bio-alcohols) is an important task of today. Ethanol and 2-methylpropan-1-ol (isobutanol), obtained by processing biomass, can be the basis for the production of monomers of synthetic polymers (alkenes, dienes) and additives for motor fuels (butan-1-ol, 2-ethylhexan-1-ol). In L.V. Pisarzhevskii Institute of Physical Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine, a number of effective catalysts for obtaining buta-1,3-diene from ethanol and ethanol-water mixtures is developed, which are not inferior to well-known foreign analogues in terms of their indices (selectivity, productivity). For the first time, the process of gas-phase condensation of butan-1-ol into 2-ethylhexan- 1-ol is realized in a flow mode over catalytic Mg-Al-oxide systems. The possibility of sequential transformation: ethanol → butan-1-ol → 2-ethylhexan-1-ol, under atmospheric pressure in a flow reactor is confirmed. This will allow obtaining 2-ethylhexan-1-ol directly from ethanol. Effective under mild conditions (temperature 175 °С) iron silicate zeolite catalysts are developed, which ensure isobutanol conversion into linear isomers of butene with selectivity at the level of known foreign analogues. Further development of physico-chemical principles of creating highly active and selective catalysts for bio-alcohol conversion into monomers of synthetic polymers (alkenes, dienes) and higher alcohols will create the prerequisites for establishing in Ukraine the production of strategically important polymer materials and components of motor fuels from renewable raw materials. This will ensure a decrease in the dependence of domestic industry on importing the specified products and will contribute to the post-war reconstruction of Ukraine.
Автор висловлює вдячність Національному фонду досліджень України (проєкт за реєстраційним номером 2021/01/0017 «Дизайн нанокомпозитних метал-оксидних каталізаторів окиснювальної конверсії С1-4-алканів та діоксиду вуглецю з одержанням водню/ синтез-газу, цінних органічних сполук» (РК № 0123U102607)) та Консорціуму науково- дослідницької інфраструктури Центральної Європи (CERIC-ERIC) за часткову фінансову підтримку й доступ до наукового обладнання.
uk
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Вісник НАН України
Молоді вчені
Дизайн новітніх поліфункціональних каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів з відновлюваної сировини (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 липня 2024 р.)
Design of the latest multifunctional catalysts for the processes of obtaining strategically important organic products from renewable raw materials (According to the materials of report at the meeting of the Presidium of the NAS of Ukraine, July 10, 2024)
Article
published earlier
spellingShingle Дизайн новітніх поліфункціональних каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів з відновлюваної сировини (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 липня 2024 р.)
Ларіна, О.В.
Молоді вчені
title Дизайн новітніх поліфункціональних каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів з відновлюваної сировини (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 липня 2024 р.)
title_alt Design of the latest multifunctional catalysts for the processes of obtaining strategically important organic products from renewable raw materials (According to the materials of report at the meeting of the Presidium of the NAS of Ukraine, July 10, 2024)
title_full Дизайн новітніх поліфункціональних каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів з відновлюваної сировини (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 липня 2024 р.)
title_fullStr Дизайн новітніх поліфункціональних каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів з відновлюваної сировини (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 липня 2024 р.)
title_full_unstemmed Дизайн новітніх поліфункціональних каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів з відновлюваної сировини (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 липня 2024 р.)
title_short Дизайн новітніх поліфункціональних каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів з відновлюваної сировини (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 липня 2024 р.)
title_sort дизайн новітніх поліфункціональних каталізаторів для процесів отримання стратегічно важливих органічних продуктів з відновлюваної сировини (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні президії нан україни 10 липня 2024 р.)
topic Молоді вчені
topic_facet Молоді вчені
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202028
work_keys_str_mv AT larínaov dizainnovítníhpolífunkcíonalʹnihkatalízatorívdlâprocesívotrimannâstrategíčnovažlivihorganíčnihproduktívzvídnovlûvanoísirovinizamateríalaminaukovogopovídomlennânazasídanníprezidíínanukraíni10lipnâ2024r
AT larínaov designofthelatestmultifunctionalcatalystsfortheprocessesofobtainingstrategicallyimportantorganicproductsfromrenewablerawmaterialsaccordingtothematerialsofreportatthemeetingofthepresidiumofthenasofukrainejuly102024

Схожі ресурси