Химики из Университета ИТМО и их зарубежные коллеги раскрыли ранее неизвестные свойства катализаторов, превращающих природный газ в спирт. Их анализ поможет создать более простые и дешевые методы переработки отходов нефтяной и деревообрабатывающей промышленности, сообщает пресс-служба вуза.

«Зачастую свойства каталитических систем определяются не статическими свойствами катализатора, а динамическими параметрами. Они не являются неотъемлемыми характеристиками вещества и могут меняться в ходе реакции. Обычно эти параметры игнорируются, но в нашем случае они имеют одно из главнейших значений», — рассказал профессор Университета ИТМО в Санкт-Петербурге Евгений Пидько.

Все отложения нефти на Земле возникли в результате скопления огромного количества водорослей, фитопланктона и прочих обитателей морей на дне океанов Земли. После того, как они оказались погребены под толстым слоем пород, они начали постепенно сжиматься, разогреваться и разлагаться, распадаясь на набор углеводородов и прочих веществ.

Этот набор содержит в себе как жидкие, так и газообразные молекулы, которые выделяются при нефтедобыче в виде так называемого «попутного газа». Как правило, он просто сжигается, так как его сбор и транспортировка просто не выгодны для добывающих компаний.

Пидько и его коллеги предполагают, что эти углеводороды можно выгодно перерабатывать в другие органические соединения, такие как различные виды спиртов, если создать очень эффективные и дешевые катализаторы.

Тайны квантовой химии

Для решения этой задачи ученые из России, Нидерландов и Саудовской Аравии провели серию расчетов, которая помогла им проследить за тем, как катализаторы на базе железа и так называемых цеолитов, полых наночастиц из силиката алюминия, взаимодействуют с молекулами метана и других простых углеводородов.

Дело в том, что ученые пока не могут точно предсказывать то, как ведут себя подобные «упакованные» катализаторы, способные преобразовать метан в древесный спирт, метанол. Это мешает созданию таких веществ, которые бы максимально эффективно ускоряли эту реакцию и делали ее более дешевой для нефтедобытчиков.

Пидько и его команда сделали первый шаг к решению этой проблемы, просчитав поведение одного из подобных ускорителей реакций на квантовом уровне. Во время этих расчетов ученые проверили, как изменения в положении и форме центра реакции, а также другие вторичные процессы, связанные с формированием различных промежуточных продуктов реакции, влияли на работу этих наночастиц.

Они выяснили, что на активность катализатора влияло не только то, насколько активно он соединяется с водородом, о чем ученые уже знали, но и изменения в форме активного центра в ходе самой реакции и прочие ранее неизвестные изменения в его структуре и поведении.

Эти особенности частично объясняют то, почему теоретические предсказания свойств подобных катализаторов часто расходились с реальностью. Их добавление в компьютерные модели позволит химикам ускорить создание веществ, способных дешево и эффективно перерабатывать попутный газ в полезные органические вещества.