Спрос на сырье для получения наночастиц, нанотрубок, фуллеренов, квантовых точек и т.д растет взрывоподобно, и крупные химические предприятия постоянно наращивают производственные мощности. По мере того, как процессы получения этих материалов выходят из лабораторий в производственные цеха, их стоимость снижается.

Наиболее ярко такая картина проявляется с углеродными нанотрубками (УНТ), где цены существенно спустились с астрономических уровней: килограмм многостенных УНТ буквально несколько лет назад продавался за десятки тысяч долларов, однако сейчас цены на некоторые виды УНТ упали до уровня всего лишь сотен долларов за кг. По мере того, как такой тренд развивается, и наноматериалы становятся просто расходными материалами, рано или поздно мы столкнемся с проблемой нехватки природных ресурсов. В качестве примера можно привести индий (активно применяемый для изготовления оксидных покрытий практически для всех плоских и микро- дисплеев), запасы которого на Земле быстро уменьшаются, что делает применение индия тупиковым направлением. Это означает, что уже в скором времени стоимость материалов и величина и стоимость энергии, потребной для технологического процесса будут ключевым двигателем и основной проблемой в развитии технологии.

С другой стороны, имеется огромное количество «бесполезных» естественных материалов, в буквальном смысле «валяющихся» вокруг, например, скалы и камни, которые могут быть использованы в нанотехнологии.

Исследователи из Ассоциации институтов Макса Планка (Institute of the Max Planck Society), Берлин, Германия подтвердили существующую концепцию, что естественные наноструктуры, содержащиеся в вулканических лавах, можно использовать для синтеза наноматериалов с последующим применением в катализе бутадиена и стирола.

Группа ученых, возглавляемая д-ром Дангшенг Су (Dr. Dangsheng Su), поставила целью использование частиц оксида железа, в больших количествах имеющегося в природных минералах (в том числе и в вулканических лавах), в качестве естественного катализатора при выращивании УНТ. Им удалось продемонстрировать хорошие и стабильные показатели при использовании лавы в качестве катализатора без какой-либо дополнительной обработки образцов лавы. Поскольку железо присутствует в больших количествах в природных минералах, глинах, почвах и даже в растениях, результаты данного исследования могут оказать определенное влияние на технологии иммобилизированных УНТ, существенно удешевить эти процессы и, возможно, благодаря снижению стоимости, расширить области применения УНТ в другие области.

Результаты работы, проведенной учеными Ассоциации институтов Макса Планка совместно с коллегами из Лаборатории Молекулярной Физики Института им. Руджера Босковича из Загреба, Хорватия (Molecular Physics Laboratory at the Rudjer Boskovic Institute in Zagreb, Croatia), были опубликованы 27 августа 2008 г. В интенет-издании журнала Advanced Materials («Mount-Etna-Lava-Supported Nanocarbons for Oxidative Dehydrogenation Reactions»).

Последние эксперименты показали очень высокую эффективность процессов производства УНТ. В лабораторных условиях, без какой-либо предварительной химической обработки размолотой лавы, 1,05 г наноуглеродов могут быть иммобилизированы в присутствии всего лишь 0,2 г лавы. Известно, что УНТ являются высоко-активными катализаторами во многих химических реакциях. Тем не менее колебания давления в реакторе в ходе процесса быстро снижают их каталитические способности. В исследованном процессе этого не происходит благодаря иммобилизации наноуглеродов. Возможность синтезирования УНТ и катализатора для химической реакции за одну операцию, используя избыточные естественные катализаторы, может опустить окончательную стоимость технологии еще больше. В качестве тестов ученые выбрали химические реакции окислительного дегидрирования углеводородов, в частности, производство бутадиена из 1-бутилена и стирола из этилбензола. Последняя из них является одной из десяти крупнейших в мире химических промышленных процессов.

Для реакции получения бутадиена из 1-бутилена в самом начале процесса наблюдалась 65% -ная конверсия 1-бутилена. Затем коэффициент преобразования увеличивается до 80% и, приблизительно через 10 часов стабилизируется. Средний выход бутадиена поддерживается на уровне более 50%. В процессе получения стирола из этилбензола, коэффициент конверсии стабилизируется на уровне 30% после достаточно короткого дезактивационного периода в начале реакции. Получена высокая избирательность (более 85%) стирола, а выход стирола находится на уровне порядка 25%.

Несмотря на то, что продемонстрированные результаты являются лишь подтверждением концепции, представляется, что гибридные углеродные катализаторы подобные использованным учеными из Института Макса Планка имеют потенциал для конкуренции с промышленно оптимизированными системами для испытанных реакций, или, вообще говоря, отходы и обильные, общеизвестные природные ресурсы могут оказаться весьма полезными материалами для химии, катализации реакций и нанотехнологии.

Евгений Биргер