В исследовании сотрудников ИОХ РАН впервые показана беспрецедентная активность палладиевого катализатора, нанесенного на углерод (Pd/C). Комплексное применение электронной микроскопии, машинного обучения и экспериментального каталитического исследования дает начало новой концепции полностью определенных гетерогенных катализаторов - Totally Defined Catalysis (doi: 10.1021/jacs.2c01283).
Палладиевые катализаторы широко востребованы в промышленности для синтеза различных органических соединений, в первую очередь фарм-препаратов. Удобством гетерогенных нано-катализаторов является простота их использования и легкость отделения от реакционной массы по окончании процесса. Однако наряду с этими преимуществами такие катализаторы уступают в активности гомогенным, то есть полностью растворимым. Поэтому внимание многих научных групп сфокусировано на разработке гетерогенного катализатора, не уступающего активностью гомогенному. Основной сложностью для изучения таких катализаторов является их неоднородность в микро- и наномасштабе. Если гомогенные катализаторы представляют собой конкретное химическое соединение, которое несложно описать, то гетерогенные являются сложной комбинацией различных наночастиц на развитой поверхности носителя.
В исследовании сотрудников Института органической химии им. Н.Д. Зелинского (ИОХ РАН) при помощи специального устройства – наноманипулятора проводился захват и изолирование от общей массы индивидуальных частиц катализатора, размером от 500 нм (Рисунок). Несмотря на такой небольшой размер на поверхности частицы присутствуют тысячи наночастиц палладия. Достоверно идентифицировать и подсчитать все наночастицы удалось с помощью нейронных сетей. Это позволило исследователям посчитать все наночастицы и определить их взаимное расположение.
Каждая полностью описанная частица Pd/C была исследована на активность в химической реакции кросс-сочетания Сузуки-Мияуры. Для количественной оценки активности катализатора применялся метод масс-спектрометрии высокого разрешения с мечеными соединениями продукта реакции в качестве стандарта. Оказалось, что индивидуальные частицы гетерогенного катализатора обладают крайне высокой активностью, соизмеримой с активностью гомогенного. Каждый атом палладия, введенный в реакционную систему, произвел около миллиарда каталитических циклов, что является абсолютным рекордом для таких систем на сегодняшний день. Такая высокая активность индивидуальных частиц катализатора объясняется полной доступностью всех наночастиц частицы Pd/C для реакции и минимизацией путей деактивации катализатора, а именно избежание взаимодействия частиц палладия друг с другом с последующей потерей активности.
Комбинация электронной микроскопии, машинного обучения и экспериментального исследования в каталитическом процессе позволило провести недоступное ранее полное описание гетерогенного катализатора. Можно ожидать, что гетерогенные катализаторы будущего будут представлять собой полностью охарактеризованные микрочастицы с заведомо известной высокой активностью. Данная работа впервые открывает концепцию полностью определенного катализатора (Totally Defined Catalysis) для практики.
Работа выполнена в лаборатории В.Ананикова и опубликована в журнале Американского химического общества (Journal of the American Chemical Society).
Ссылка:
Eremin D.B., Galushko A.S., Boiko D.A., Pentsak E.O., Chistyakov I.V., Ananikov V.P. «Toward Totally Defined Nanocatalysis: Deep Learning Reveals the Extraordinary Activity of Single Pd/C Particles», J. Am. Chen. Soc., 2022. doi: 10.1021/jacs.2c01283
