پژوهشگران اسپانیایی به بررسی اثر زیرلایه‌های کربنی مختلف روی عملکرد نانوذرات روتنیوم به عنوان کاتالیست در فرآیند هیدروژناسیون پرداختند و در نهایت زیرلایه اکسیدگرافن احیا شده که نانوذرات ۱٫۲ نانومتری روتنیوم روی آن قرار گرفته را به عنوان کاتالیست مناسب برگزیدند.
نانوکاتالیست مناسب برای هیدروژناسیون
هیدروژناسیون انتخابی اسید لوولینیک (LA) و تبدیل آن به گاما والرولاکتون (GVL) یکی از واکنش‌های مهم برای تبدیل لیگنوسلولز به مواد شیمیایی و سوخت‌های تجدیدپذیر است. محققان در مقاله‌ای که نشان دادند که روتنیوم (Ru) از عناصر فعال و تأثیرگذار در این فرآیند بوده که موجب تبدیل انتخابی و سریع این ماده می‌شود. کربن حاوی روتنیوم کاتالیست مهمی است و عملکرد قابل توجهی در محیط‌های آبی از خود نشان می‌دهد، اما زیرلایه کربنی می‌تواند روی خواص کاتالیستی تأثیرگذار باشد.
برای حل این مشکل محققان اسپانیایی در مؤسسه کاتالیست و پتروشیمی، کاتالیست روتنیوم را روی انواع مختلفی از کربن قرار دادند. در یک روش، آن را روی کربن فعال دارای حفره قرار دادند و در روش دیگری، روی گرافیتی موسوم به HSAG و اکسید گرافن احیا شده. هر دو ماده دارای ساختار بسیار منظم بوده و مورفولوژی سطحی فاقد حفره هستند. در سومین روش از نانولوله‌های کربنی با ساختار استوانه‌ای نانوحفره‌ای استفاده شده است. تمامی مواد کربنی مورد استفاده در این پروژه دست‌نخورده بوده و هیچ‌گونه عامل‌دار کردن برای آن استفاده نشده بود. بنابراین سطح آن‌ها شبیه یکدیگر است و عملکرد کاتالیستی این ترکیبات به ترکیب شیمیایی و ویژگی‌های ساختاری آن‌ها باز می‌گردد. البته محققان کلرید روتنیوم را به عنوان پیش‌ماده اولیه کاملاً کنترل کردند تا تنها اثر زیرلایه را مورد بررسی قرار دهند.
نتایج نشان داد که تعداد دفعات استفاده از کاتالیست (TOF)، با کاهش ابعاد، افزایش می‌یابد؛ چرا که واکنش هیدروژناسیون LA به ساختار نانوذرات Ru وابسته است. با این حال، هیچ وابستگی به انتخاب‌گری GVL در این فرآیند مشاهده نشد، به‌طوری که بعد از ۶ ساعت، تقریباً ۹۵ درصد از فرآیند با تمام کاتالیست‌ها کامل شد.
کاتالیست Ru/rGO-700 با اندازه ذرات فلزی ۱٫۲ نانومتر که کوچکترین ذرات را در میان کاتالیست‌ها داشت، در دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد، بالاترین فعالیت را از خود نشان می‌دهد. البته این کاتالیست در دمای اتاق نیز فعالیت بالایی دارد. بررسی‌های محققان نشان داد که این کاتالیست به دلیل ابعاد بسیار کوچک ذرات فلزی، فعالیت بهتری دارد. همچنین پایداری آن نیز بالاتر است و به کاربر اجازه می‌دهد هیدروژناسیون تمیزتر و مستمری را برای تولید محصول تجربه کند.
