Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Растущее энергопотребление современного общества требует разработки новых, экономически эффективных и экологически приемлемых технологий комплексного природопользования и использования углеводородного и растительного сырья, а также нетрадиционных видов топлив. Каталитическое сжигание различных видов топлив в кипящем слое катализатора является одной из перспективных технологий, при этом использование каталитических технологий позволяет значительно уменьшить количество выбросов токсичных веществ, образующихся в процессе сжигания топлив. В настоящее время в РФ используются алюмомеднохромовые катализаторы, содержащие токсичный хром, который выносится в окружающую среду вместе с зольным остатком, соединения которого являются канцерогенами. Также эти катализаторы обладают высокой стоимостью. Поиск нового, экологического безопасного и дешевого катализатора полного окисления для кипящего слоя является актуальной задачей. Наиболее перспективными являются катализаторы, использующие в своем составе недорогие и нетоксичные компоненты, такие как оксиды железа и меди. Целью данного проекта является синтез композитных катализаторов CuO-Fe2O3-Al2O3, получение новых знаний о природе их каталитического действия и выяснение механизма полного окисления продуктов газификации различных видов топлив на этих катализаторах. На первом этапе реализации проекта наши усилия были сосредоточены на разработке методики синтеза «модельных» катализаторов CuO-Fe2O3, CuO-Al2O3 и Fe2O3-Al2O3. «Модельные» катализаторы были охарактеризованы широким набором физико-химических методов, например, применялась спектроскопия рентгеновского поглощения. Данный метод может быть реализован только на источнике синхротронного излучения, в России всего два места, где можно проводить подобные исследования: Курчатовский источник синхротронного излучения (Москва) и Сибирский центр синхротронного и Терагерцового излучения (ИЯФ СО РАН, Новосибирск). Для синтезированных катализаторов была определена активность в реакции окисления CO. Было показано, что катализатор на основе двойных оксидов Fe2O3-Al2O3 и CuO-Al2O3 обладают высокой активностью и стабильностью. Активность и стабильность катализаторов, работающих при высоких температурах, являются ключевыми параметрами при использовании катализаторов в промышленных целях. Было установлено, что активность CuO-Al2O3 катализаторов находится на уровне промышленных хромсодержащих катализаторов. Однако создание катализаторов на основе меди непривлекательно с экономической точки зрения, т.к. стоимость меди почти в 20 раз выше, чем железа. Было предложено модифицировать добавлением небольшого количества меди. Добавка меди к недорогому Fe2O3-Al2O3 катализатору приводит к незначительно увеличению стоимости катализатора, однако в то же время активность катализатора увеличивается существенно, примерно в 100 раз. Модифицированный катализатор значительно активнее CuO-Al2O3 катализаторов и промышленных, используемых в настоящее время. Тем не менее, для дальнейшего улучшения каталитических свойств данного катализатора необходимо знать информацию о том, как катализатор «работает» в условиях протекания реакции. Подобная информация может быть получена при исследовании функционирующего катализатора с помощью физико-химических методов, таких как рентгеновская дифракция, спектроскопия рентгеновского поглощения и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. В научной среде подход к исследованию работающей системы называется operando или in situ подходом. Уникальность данного подхода заключается в том, что исследователь получает прямую экспериментальную информацию о каталитической системе, что позволяет в будущем, используя полученные знания, модифицировать катализатор для достижения требуемых параметров. На «модельных» катализаторах нами были отработаны методики проведения in situ/operando РФА, XANES/EXAFS и РФЭС экспериментов. В дальнейшем эти методики будут применены для исследования более сложных CuO-Fe2O3-Al2O3 катализаторов.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Растущее энергопотребление современного общества требует разработки новых, экономически эффективных и экологически приемлемых технологий комплексного природопользования и использования углеводородного и растительного сырья, а также нетрадиционных видов топлив. Каталитическое сжигание различных видов топлив в кипящем слое катализатора является одной из перспективных технологий, при этом использование каталитических технологий позволяет значительно уменьшить количество выбросов токсичных веществ, образующихся в процессе сжигания топлив. В настоящее время в РФ используются алюмомеднохромовые катализаторы, содержащие токсичный хром, который выносится в окружающую среду вместе с зольным остатком, соединения которого являются канцерогенами. Также эти катализаторы обладают высокой стоимостью. Поиск нового, экологического безопасного и дешевого катализатора полного окисления для кипящего слоя является актуальной задачей. Наиболее перспективными являются катализаторы, использующие в своем составе недорогие и нетоксичные компоненты, такие как оксиды железа и меди. Целью данного проекта является синтез композитных катализаторов CuO-Fe2O3-Al2O3, получение новых знаний о природе их каталитического действия и выяснение механизма полного окисления продуктов газификации различных видов топлив на этих катализаторах. Второй год реализации проекта был посвящен исследованию промотированных медью Fe2O3-Al2O3 катализаторов широким набором физико-химических методов, исследованию кинетики и определению порядка и механизма реакции окисления CO на Fe2O3-Al2O3 и CuO-Fe2O3-Al2O3 композитных катализаторах, а также отработке методики формирования сферических гранул катализатора с узким распределением гранул по размеру и обладающих высокой прочностью. С помощью отработанной ранее методики была синтезирована серия Fe2O3-Al2O3 промотированная различным количеством меди. CuFeAl катализаторы были охарактеризованы широким набором физико-химических методов, например, применялась спектроскопия рентгеновского поглощения и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, в том числе в режиме in situ. Для синтезированных катализаторов была определена активность в реакции окисления CO. Было показано, что CuO-Fe2O3-Al2O3 катализатор с содержанием 5% оксида меди обладает наибольшей активностью и стабильностью. Активность и стабильность катализаторов, работающих при высоких температурах, являются ключевыми параметрами при использовании катализаторов в промышленных целях. Было установлено, что активность CuO-Fe2O3-Al2O3 катализатора с оптимальным содержанием меди значительно выше, чем активность промышленных хромсодержащих катализаторов. В то же время данные катализаторы являются привлекательными с экономической точки зрения, т.к. добавка меди к недорогому Fe2O3-Al2O3 катализатору приводит к незначительно увеличению стоимости катализатора, однако в то же время активность катализатора увеличивается существенно, примерно в 200 раз. Проведенные каталитические и in situ эксперименты позволили установить, что окисление СО на CuFeAl катализаторах идет по окислительно-восстановительному механизму Марс-ван Кревелена, а скорость-определяющей стадией является восстановление катионов Cu2+ молекулами СО с образованием карбонилов Cu1+-CO. Добавление паров воды в реакционную смесь не изменяет механизма реакции окисления CO, однако наблюдается существенное уменьшение скорости окисления за счет конкурентной адсорбции молекул воды на активных центрах. Была отработана методика создания катализаторов, имеющих сферическую форму, а также определена их прочность на раздавливание и активность в зависимости от количества инертного носителя (гамма оксида алюминия). С помощью отработанной методики можно формовать сферические гранулы катализатора с узким распределением по размеру. Введение гидроксида алюминия более 40% по массе на стадии формирования гранулы позволяет получить сферические гранулы, обладающие высокой прочностью достаточной для их дальнейшего использования в установках сжигания продуктов газификации твердых топлив в кипящем слое катализатора.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Растущее энергопотребление современного общества требует разработки новых, экономически эффективных и экологически приемлемых технологий комплексного природопользования и использования углеводородного и растительного сырья, а также нетрадиционных видов топлив. Каталитическое сжигание различных видов топлив в кипящем слое катализатора является одной из перспективных технологий, при этом использование каталитических технологий позволяет значительно уменьшить количество выбросов токсичных веществ, образующихся в процессе сжигания топлив. В настоящее время в РФ используются алюмомеднохромовые катализаторы, содержащие токсичный хром, который выносится в окружающую среду вместе с зольным остатком, соединения которого являются канцерогенами. Также эти катализаторы обладают высокой стоимостью. Поиск нового, экологического безопасного и дешевого катализатора полного окисления для кипящего слоя является актуальной задачей. Наиболее перспективными являются катализаторы, использующие в своем составе недорогие и нетоксичные компоненты, такие как оксиды железа и меди. Целью данного проекта является синтез композитных катализаторов CuO-Fe2O3-Al2O3, получение новых знаний о природе их каталитического действия и выяснение механизма полного окисления продуктов газификации различных видов топлив на этих катализаторах. Третий год реализации проекта был посвящен исследованию промотированных медью Fe2O3-Al2O3 катализаторов широким набором физико-химических методов в режиме in situ, исследованию кинетики и окончательному построению механизма окисления CO на CuO-Fe2O3-Al2O3 композитных катализаторах, а также наработке партии «реального» катализатора по отработанной ранее методике формирования сферических гранул катализатора с узким распределением гранул по размеру и обладающих высокой прочностью. Наиболее активный CuO-Fe2O3-Al2O3 катализатор с содержанием 5% оксида меди, обладающий наибольшей активностью и стабильностью был подробно исследован с помощью РФЭС и XANES/EXAFS методов в режиме in situ. Проведенные каталитические и in situ эксперименты позволили установить, что окисление СО на CuFeAl катализаторах идет по окислительно-восстановительному механизму Марс-ван Кревелена, а скорость-определяющей стадией является восстановление катионов Cu2+ до Cu1+ молекулами СО с образованием CO2 и кислородной вакансии. По ранее отработанной методике создания катализаторов, имеющих сферическую форму, была изготовлена небольшая (1 кг) партия реального катализатора и протестирована в установке сжигания твердых топлив в кипящем слое. Было показано, что разработанный CuFeAl-композитный катализатор обладает высокой механической прочностью (16 МПа) и высокой активностью в реакции окисления CO, сопоставимые и несколько превышающие характеристики промышленного Cr-содержащего катализатора. Причем характеристики механической прочности соответствует требованиям, предъявляемым к катализаторам глубокого окисления для кипящего слоя. Разработанный катализатор обладает высокой термостабильностью. По совокупности данных физико-химических и каталитических характеристик можно заключить, что разработанный сферический CuFeAl-композитный катализатор удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым к катализаторам глубокого окисления для кипящего слоя, и может быть рекомендован в процессах сжигания газообразного, жидкого и твердого топлив.