catalКатализ в промышленностиKataliz v promyshlennosti1816-03872413-6476LLC "KALVIS"10.18412/1816-0387-2018-2-72-84catal-512Research ArticleБИОКАТАЛИЗBIOCATALYSISПрименение Ru-содержащего катализатора на основе сверхсшитого полистирола в гидрировании левулиновой кислоты до гамма-валеролактонаApplication of Ru-Containing Catalyst Based on Hypercrosslinked Polystyrene for Hydrogenation of Levulinic Acid to Gamma-ValerolactoneПроценкоИ. И.ProtsenkoI. I.ctls@kalvis.ruАбусуекД. А.AbusuekD. A.ctls@kalvis.ruНикошвилиЛ. Ж.NikoshviliL. Zh.ctls@kalvis.ruБыковА. В.BykovA. V.ctls@kalvis.ruМатвееваВ. Г.MatveevaV. G.ctls@kalvis.ruСульманЭ. М.SulmanE. M.ctls@kalvis.ruТверской государственный технический университетРоссияTver State Technical UniversityRussian Federation2018210320181827284Copyright © LLC "KALVIS", 20182018LLC "KALVIS"LLC "KALVIS"https://www.catalysis-kalvis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.catalysis-kalvis.ru/jour/article/view/512

 

Гидрирование левулиновой кислоты (ЛК) до гамма-валеролактона (ГВЛ) является одной из наиболее перспективных реакций в области валоризации биомассы и получения продуктов тонкого органического синтеза и жидких топлив. Потенциально ГВЛ, получаемый из лигноцеллюлозной биомассы, представляет собой универсальный промежуточный продукт для производства топливных присадок и химикатов. Эффективное производство ГВЛ в настоящее время является предметом интенсивного исследования. В работе приведены результаты охарактеризования физико-химическими методами (низкотемпературная адсорбция азота, ПЭМ, РЭМ, РФЭС, ИК-спектроскопия диффузного отражения) и исследования каталитических свойств частиц RuO2, стабилизированных в полимерной матрице сверхсшитого полистирола марки MN100 (5%-Ru/MN100), в реакции селективного гидрирования ЛК до ГВЛ. Показано, что синтезированный катализатор 5%-Ru/MN100 обеспечивает выход ГВЛ более 99 % в мягких условиях реакции (90 °С, парциальное давление водорода 2 МПа) в водной среде и может конкурировать с коммерческим катализатором 5%-Ru/C.

Hydrogenation of levulinic acid (LA) to gamma-valerolactone (GVL) is among the most promising reactions for valorization of biomass and manufacturing of fine chemicals and liquid fuels. GVL synthesized from lignocellulose biomass is, potentially, a universal semiproduct for the production of fuel additives and reagents. Development of the effective process for synthesis of GVL is of urgent importance. The catalyst containing RuO2 particles stabilized in the polymer matrix of hypercrosslinked polystyrene NM100 (5% Ru/MN100) was developed for selective hydrogenation of LA to GVL. The catalyst and the catalytic behavior was characterized using physicochemical techniques (low temperature nitrogen adsorption, TEM, REM, XPS, FTIR). The synthesized 5%-Ru/MN100 catalyst was shown to provide more than 99 % yield of GVL under mild conditions (90 °C, partial hydrogen pressure 2 MPa) in an aqueous medium that makes it competitive with the commercial 5%-Ru/C catalyst.

гамма-валеролактонлевулиновая кислотакаталитическое гидрированиерутенийсверхсшитый полистиролgamma-valerolactonelevulinic acidcatalytic hydrogenationrutheniumhypercrosslinked polystyreneReferencesKuwahara Y., Kaburagi W., Osada Y., Fujitani T., Yamashita H. // Catal. Today. 2017. Vol. 281. Part 3. P. 418.Kuwahara Y., Kaburagi W., Osada Y., Fujitani T., Yamashita H. // Catal. Today. 2017. Vol. 281. Part 3. P. 418.Jiang K., Sheng D., Zhang Z., Fu J., Hou Zh., Lu X. // Catal. Today. 2016. Vol. 274. P. 55.Jiang K., Sheng D., Zhang Z., Fu J., Hou Zh., Lu X. // Catal. Today. 2016. Vol. 274. P. 55.Putrakumar B., Nagaraju N., Kumar V.P., Chary K.V.R. // Catal. Today. 2015. Vol. 250. P. 209.Putrakumar B., Nagaraju N., Kumar V.P., Chary K.V.R. // Catal. Today. 2015. Vol. 250. P. 209.Negahdar L., Al-Shaal M.G., Holzhäuser F.J., Palkovits R. // Chem. Eng. Sci. 2017. Vol. 158. P. 545.Negahdar L., Al-Shaal M.G., Holzhäuser F.J., Palkovits R. // Chem. Eng. Sci. 2017. Vol. 158. P. 545.Kuwahara Y., Magatani Y., Yamashita H. // Catal. Today. 2015. Vol. 258. Part 2. P. 262.Kuwahara Y., Magatani Y., Yamashita H. // Catal. Today. 2015. Vol. 258. Part 2. P. 262.Gao H., Chen J. // J. Organomet. Chem. 2015. Vol. 797. P. 165.Gao H., Chen J. // J. Organomet. Chem. 2015. Vol. 797. P. 165.Al-Naji M., Yepez A., Balu A.M., Romero A.A., Chen Zh., Wilde N., Li H., Shih K., Gläser R., Luqueb R. // J. Mol. Catal. A. 2016. Vol. 417. P. 145.Al-Naji M., Yepez A., Balu A.M., Romero A.A., Chen Zh., Wilde N., Li H., Shih K., Gläser R., Luqueb R. // J. Mol. Catal. A. 2016. Vol. 417. P. 145.Wąchała M., Grams J., Kwapiński W., Ruppert A.M. // Intern. J. Hydr. Energy. 2016. Vol. 41. P. 8688.Wąchała M., Grams J., Kwapiński W., Ruppert A.M. // Intern. J. Hydr. Energy. 2016. Vol. 41. P. 8688.Yao Y., Wang Zh., Zhao Sh., Wang D., Wang D., Wu Zh., Zhang M. // Catal. Today. 2014. Vol. 234. P. 245.Yao Y., Wang Zh., Zhao Sh., Wang D., Wang D., Wu Zh., Zhang M. // Catal. Today. 2014. Vol. 234. P. 245.Serrano-Ruiz J.C., West R.M., Dumesic J.A. // Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. 2010. Vol. 1. P. 79.Serrano-Ruiz J.C., West R.M., Dumesic J.A. // Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. 2010. Vol. 1. P. 79.Gürbüz E.I., Alonso D.M., Bond J.Q., Dumesic J.A. // ChemSusChem. 2011. Vol. 4. P. 357.Gürbüz E.I., Alonso D.M., Bond J.Q., Dumesic J.A. // ChemSusChem. 2011. Vol. 4. P. 357.Piskun A.S., Van de Bovenkamp H.H., Rasrendra C.B., Winkelman J.G.M., Heeres H.J. // Appl. Catal. A. 2016. Vol. 525. P. 158.Piskun A.S., Van de Bovenkamp H.H., Rasrendra C.B., Winkelman J.G.M., Heeres H.J. // Appl. Catal. A. 2016. Vol. 525. P. 158.Cao Sh., Monnier J.R., Williams Ch.T., Diao W., Regalbuto J.R. // J. Catal. 2015. Vol. 326. P. 69.Cao Sh., Monnier J.R., Williams Ch.T., Diao W., Regalbuto J.R. // J. Catal. 2015. Vol. 326. P. 69.Al-Shaal M.Gh., Calin M., Delidovich I., Palkovits R. // Catal. Commun. 2016. Vol. 75. P. 65.Al-Shaal M.Gh., Calin M., Delidovich I., Palkovits R. // Catal. Commun. 2016. Vol. 75. P. 65.Long X., Sun P., Li Z., Lang R., Xia Ch., Li F. // Chin. J. Catal. 2015. Vol. 36. P. 1512.Long X., Sun P., Li Z., Lang R., Xia Ch., Li F. // Chin. J. Catal. 2015. Vol. 36. P. 1512.Testa M.L., Corbel-Demailly L., La Parola V., Venezia A.M., Pinel C. // Catal. Today. 2015.Vol. 257. Part 2. P. 291.Testa M.L., Corbel-Demailly L., La Parola V., Venezia A.M., Pinel C. // Catal. Today. 2015.Vol. 257. Part 2. P. 291.Hengst K., Schubert M., Carvalho H.W.P., Lu Ch., Kleist W., Grunwaldt J.-D. // Appl. Catal. A. 2015. Vol. 502. P. 18.Hengst K., Schubert M., Carvalho H.W.P., Lu Ch., Kleist W., Grunwaldt J.-D. // Appl. Catal. A. 2015. Vol. 502. P. 18.Kumar V.V., Naresh G., Deepa S., Bhavani P.G., Nagaraju M., Sudhakar M., Chary K.V.R., Tardio J., Bhargava S.K., Venugopal A. // Appl. Catal. A. 2017. Vol. 531. P. 169.Kumar V.V., Naresh G., Deepa S., Bhavani P.G., Nagaraju M., Sudhakar M., Chary K.V.R., Tardio J., Bhargava S.K., Venugopal A. // Appl. Catal. A. 2017. Vol. 531. P. 169.Wright W.R.H., Palkovits R. // ChemSusChem. 2012. Vol. 5. P. 1657.Wright W.R.H., Palkovits R. // ChemSusChem. 2012. Vol. 5. P. 1657.Abdelrahman O.A., Heyden A., Bond J.Q. // ACS Catal. 2014. Vol. 4. P. 1171.Abdelrahman O.A., Heyden A., Bond J.Q. // ACS Catal. 2014. Vol. 4. P. 1171.Xiao Ch., Goh T.-W., Qi Zh., Goes Sh., Brashler K., Perez Ch., Huang W. // ACS Catal. 2016. Vol. 6. P. 593.Xiao Ch., Goh T.-W., Qi Zh., Goes Sh., Brashler K., Perez Ch., Huang W. // ACS Catal. 2016. Vol. 6. P. 593.Yan K., Yang Y., Chai J., Lu Y. // Appl. Catal. B. 2015. Vol. 179. P. 292.Yan K., Yang Y., Chai J., Lu Y. // Appl. Catal. B. 2015. Vol. 179. P. 292.Sudhakar M., Kantam M.L., Jaya V.S., Kishore R., Ramanujachary K.V., Venugopal A. // Catal. Commun. 2014. Vol. 50. P. 101.Sudhakar M., Kantam M.L., Jaya V.S., Kishore R., Ramanujachary K.V., Venugopal A. // Catal. Commun. 2014. Vol. 50. P. 101.Tang X., Zeng X., Li Zh., Hu L., Sun Y., Liu Sh., Lei T., Lin L. // Renew. Sust. Ener. Rev. 2014. Vol. 40. P. 608.Tang X., Zeng X., Li Zh., Hu L., Sun Y., Liu Sh., Lei T., Lin L. // Renew. Sust. Ener. Rev. 2014. Vol. 40. P. 608.Lange J.-P., Price R., Ayoub P.M., Louis J., Petrus L., Clarke L., Gosselink H. // Angew. Chem. 2010. Vol. 49. P. 4479.Lange J.-P., Price R., Ayoub P.M., Louis J., Petrus L., Clarke L., Gosselink H. // Angew. Chem. 2010. Vol. 49. P. 4479.Choi S., Song Ch.W., Shin J.H., Lee S.Y. // Metab. Engin. 2015. Vol. 28. P. 223.Choi S., Song Ch.W., Shin J.H., Lee S.Y. // Metab. Engin. 2015. Vol. 28. P. 223.Alonso D.M., Wettstein S.G., Dumesic J.A. // Green Chem. 2013. Vol. 15. P. 584.Alonso D.M., Wettstein S.G., Dumesic J.A. // Green Chem. 2013. Vol. 15. P. 584.Alonso D.M., Wettstein S.G., Mellmer M.A., Gürbüz E.I., Dumesic J.A. // Energy Environ. Sci. 2013. Vol. 6. P. 76.Alonso D.M., Wettstein S.G., Mellmer M.A., Gürbüz E.I., Dumesic J.A. // Energy Environ. Sci. 2013. Vol. 6. P. 76.Sapunov V.N., Grigoryev M.Ye., Sulman E.M., Konyaeva M.B., Matveeva V.G. // J. Phys. Chem. A. 2013. Vol. 117. P. 4073.Sapunov V.N., Grigoryev M.Ye., Sulman E.M., Konyaeva M.B., Matveeva V.G. // J. Phys. Chem. A. 2013. Vol. 117. P. 4073.Tsvetkova I.B., Matveeva V.G., Doluda V.Y., Bykov A.V., Sidorov A.I., Schennikov S.V., Sulman M.G., Valetsky P.M., Stein B.D., Chen Ch.-H., Sulman E.M., Bronstein L.M. // J. Mater. Chem. 2012. Vol. 22. P. 6441.Tsvetkova I.B., Matveeva V.G., Doluda V.Y., Bykov A.V., Sidorov A.I., Schennikov S.V., Sulman M.G., Valetsky P.M., Stein B.D., Chen Ch.-H., Sulman E.M., Bronstein L.M. // J. Mater. Chem. 2012. Vol. 22. P. 6441.Manaenkov O.V., Matveeva V.G., Sulman E.M., Filatova A.E., Makeeva O.Yu., Kislitza O.V., Sidorov A.I., Doluda V.Yu., Sulman M.G. // Top. Catal. 2014. Vol. 57. P. 1476.Manaenkov O.V., Matveeva V.G., Sulman E.M., Filatova A.E., Makeeva O.Yu., Kislitza O.V., Sidorov A.I., Doluda V.Yu., Sulman M.G. // Top. Catal. 2014. Vol. 57. P. 1476.Matveeva V.G., Sulman E.M., Manaenkov O.V., Filatova A.E., Kislitza O.V., Sidorov A.I., Doluda V.Yu., Sulman M.G. // WSEAS Transactions on Biology and Biomedicine. 2015. Vol. 12. P. 51.Matveeva V.G., Sulman E.M., Manaenkov O.V., Filatova A.E., Kislitza O.V., Sidorov A.I., Doluda V.Yu., Sulman M.G. // WSEAS Transactions on Biology and Biomedicine. 2015. Vol. 12. P. 51.Nemygina N.A., Nikoshvili L.Zh., Matveeva V.G., Sulman M.G., Sulman E.M., Kiwi-Minsker L. // Top. Catal. 2016. Vol. 59. P. 1185.Nemygina N.A., Nikoshvili L.Zh., Matveeva V.G., Sulman M.G., Sulman E.M., Kiwi-Minsker L. // Top. Catal. 2016. Vol. 59. P. 1185.Protsenko I.I., Nikoshvili L.Zh., Matveeva V.G., Sulman E.M., Rebrov E. // Chem. Eng. Trans. 2016. Vol. 52. P. 679.Protsenko I.I., Nikoshvili L.Zh., Matveeva V.G., Sulman E.M., Rebrov E. // Chem. Eng. Trans. 2016. Vol. 52. P. 679.Protsenko I.I., Nikoshvili L.Zh., Bykov A.V., Matveeva V.G., Sulman A.M., Sulman E.M., Rebrov E.V. // Green Process. Synth. 2017. Vol. 6. P. 281.Protsenko I.I., Nikoshvili L.Zh., Bykov A.V., Matveeva V.G., Sulman A.M., Sulman E.M., Rebrov E.V. // Green Process. Synth. 2017. Vol. 6. P. 281.Nemygina N., Nikoshvili L., Bykov A., Sidorov A., Molchanov V., Sulman M., Tiamina I., Stein B., Matveeva V., Sulman E., Kiwi- Minsker L. // Org. Process Res. Dev. 2016. Vol. 20. P. 1453.Nemygina N., Nikoshvili L., Bykov A., Sidorov A., Molchanov V., Sulman M., Tiamina I., Stein B., Matveeva V., Sulman E., Kiwi- Minsker L. // Org. Process Res. Dev. 2016. Vol. 20. P. 1453.Jiao X., Sokolov S.V., Tanner E.E.L., Young N.P., Compton R.G. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2017. Vol. 19. P. 64.Jiao X., Sokolov S.V., Tanner E.E.L., Young N.P., Compton R.G. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2017. Vol. 19. P. 64.Wagner C.D., Rigs W.M., Davis L.E., Moulder J.F. Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy. Perkin-Elmer Corporation. 1979; NIST X-ray Photoelectron Spectroscopy Database, Version 4.1 (National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, 2012).Wagner C.D., Rigs W.M., Davis L.E., Moulder J.F. Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy. Perkin-Elmer Corporation. 1979; NIST X-ray Photoelectron Spectroscopy Database, Version 4.1 (National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, 2012).Kim Y.D., Seitsonen A.P., Wendt S., Wang J., Fan C., Jacobi K., Over H., Ertl G. // J. Phys. Chem. B. 2001. Vol. 105. P. 3752.Kim Y.D., Seitsonen A.P., Wendt S., Wang J., Fan C., Jacobi K., Over H., Ertl G. // J. Phys. Chem. B. 2001. Vol. 105. P. 3752.Foelske A., Barbieri O., Hahn M., Kötz R. // Electrochem. Solid State Lett. 2006. Vol. 9. P. A268.Foelske A., Barbieri O., Hahn M., Kötz R. // Electrochem. Solid State Lett. 2006. Vol. 9. P. A268.Ugur D., Storm A.J., Verberk R., Brouwer J.C., Sloof W.G. // J. Phys. Chem. C. 2012. Vol. 116. P. 26822.Ugur D., Storm A.J., Verberk R., Brouwer J.C., Sloof W.G. // J. Phys. Chem. C. 2012. Vol. 116. P. 26822.Knapp M., Crihan D., Seitsonen A.P., Lundgren E., Resta A., Andersen J.N., Over H. // J. Phys. Chem. C. 2007. Vol. 111. P. 5363.Knapp M., Crihan D., Seitsonen A.P., Lundgren E., Resta A., Andersen J.N., Over H. // J. Phys. Chem. C. 2007. Vol. 111. P. 5363.Thüne P., Moodley P., Scheijen F., Fredriksson H., Lancee R., Kropf J., Miller J., Niemantsverdriet J.W.(Hans) // J. Phys. Chem. C. 2012. Vol. 116. P. 7367.Thüne P., Moodley P., Scheijen F., Fredriksson H., Lancee R., Kropf J., Miller J., Niemantsverdriet J.W.(Hans) // J. Phys. Chem. C. 2012. Vol. 116. P. 7367.Rachmady W., Vannice M.A. // J. Catal. 2000. Vol. 192. P. 322.Rachmady W., Vannice M.A. // J. Catal. 2000. Vol. 192. P. 322.Tike M.A., Mahajani V.V. // Can. J. Chem. Eng. 2006. Vol. 84. P. 452.Tike M.A., Mahajani V.V. // Can. J. Chem. Eng. 2006. Vol. 84. P. 452.Datsevich L.B., Muhkortov D.A. // Appl. Catal. A. 2004. Vol. 261. P. 143.Datsevich L.B., Muhkortov D.A. // Appl. Catal. A. 2004. Vol. 261. P. 143.Bruehwiler A., Semagina N., Grasemann M., Renken A., Kiwi- Minsker L., Saaler A., Lehmann H., Bonrath W., Roessler F. // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. Vol. 47. P. 6862.Bruehwiler A., Semagina N., Grasemann M., Renken A., Kiwi- Minsker L., Saaler A., Lehmann H., Bonrath W., Roessler F. // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. Vol. 47. P. 6862.Zaera F. // Prog. Surf. Sci. 2001. Vol. 69. P. 1.Zaera F. // Prog. Surf. Sci. 2001. Vol. 69. P. 1.Singh U.K., Vannice M.A. // Appl. Catal. A. 2001. Vol. 213. P. 1.Singh U.K., Vannice M.A. // Appl. Catal. A. 2001. Vol. 213. P. 1.Mamun O., Walker E., Faheem M., Bond J.Q., Heyden A. // ACS Catal. 2017. Vol. 7. P. 215.Mamun O., Walker E., Faheem M., Bond J.Q., Heyden A. // ACS Catal. 2017. Vol. 7. P. 215.Anderson R., Buscall R., Eldridge R., Mulvaney P., Scales P. // RSC Adv. 2014. Vol. 4. P. 31914.Anderson R., Buscall R., Eldridge R., Mulvaney P., Scales P. // RSC Adv. 2014. Vol. 4. P. 31914.Maris E.P., Ketchie W.C., Oleshko V., Davis R.J. // J. Phys. Chem. B. 2006. Vol. 110. P. 7869.Maris E.P., Ketchie W.C., Oleshko V., Davis R.J. // J. Phys. Chem. B. 2006. Vol. 110. P. 7869.Hoang L.C., Menezo J.C., Montassier C., Barbier J. // Bull. Soc. Chim. Fr. 1991. Vol. 128. P. 491.Hoang L.C., Menezo J.C., Montassier C., Barbier J. // Bull. Soc. Chim. Fr. 1991. Vol. 128. P. 491.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.