КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-73-10426

НазваниеНанотубулярные и пластинчатые гидросиликаты d-элементов (Fe, Co, Ni) - материалы для гетерогенного катализа

РуководительКрасилин Андрей Алексеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, г Москва

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2019 

КонкурсКонкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ

Ключевые словананотрубки, наносвитки, гидросиликаты, гидротермальный синтез, катализ

Код ГРНТИ31.15.28


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на разработку каталитического материала на основе слоистых тубулярных гидросиликатов со структурой хризотила, в котором катионы магния и кремния замещаются на катионы d-элементов железа, кобальта и никеля. Предполагается, что материал будет сочетать в себе высокую удельную поверхность, селективность за счет наличия узкого распределения по размерам частиц (по межслоевому расстоянию, диаметру канала и внешнему диаметру) и обладать длительным сроком эксплуатации благодаря хорошей термической стабильности, а также составной кристаллической структуре бислоя, в которой кремний-кислородный подслой выступает своего рода носителем металл-оксидного каталитического подслоя. В рамках выполнения проекта планируется проведение синтеза гидросиликатов гидротермальным методом. С помощью варьирования химического состава исходной композиции, в частности, степеней окисления катионов d-элементов и параметров гидротермального процесса планируется исследование количественных и качественных изменений морфологии и химического состава продуктов, а также связи этих характеристик с проявляемой продуктами каталитической активностью в кислотно-основных, окислительно-восстановительных и фотоиндуцированных превращениях.

Ожидаемые результаты
— Алгоритм синтеза гидросиликатов d-элементов с заданным составом и морфологией. Результат составляет информация о температурных и концентрационных (по содержанию d-элемента, по составу гидротермальной среды) областях морфологической стабильности и фазовой однородности, полученная в том числе с помощью разработанных энергетических моделей процесса сворачивания. Необходимо отметить, что подобные сведения, особенно для гидросиликатов с участием нескольких d-элементов, в литературе не представлены. — Корреляция физико-химических характеристик гидросиликатов, таких как: химический состав, морфология, распределение по размерам, структурные особенности, удельная поверхность – и каталитических свойств, в частности, влияния на выход целевого продукта и ресурс работы. — Механизмы каталитического действия.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Данный проект посвящен исследованию свойств гидросиликатных наносвитков и поиску возможности их практического применения в качестве катализаторов. Данные материалы очень интересны способом своего формирования: кристаллический слой гидросиликата состоит из химически связанных между собой подслоев различного состава и строения, имеющих к тому же несколько различные размеры. В результате сосуществования подслоев в составном слое гидросиликата в определенном соотношении и взаиморасположении из-за этой разности размеров может возникать изгиб, например, в виде волны, или в виде сворачивания в трубку или свиток. Любопытно, что такие материалы можно встретить в природе, поскольку в их состав входят наиболее распространенные на Земле элементы: типичными представителями наносвитков являются соединения состава Mg3Si2O5(OH)4 и Al2Si2O5(OH)4. Минерал с «волнистой» морфологией называется антигорит, а приведенные выше химические соединения – хризотил и галлуазит, соответственно. С точки зрения каталитических приложений данные частицы могут быть интересны тем, что они, благодаря сворачиванию, обладают повышенной величиной удельной площади поверхности. Для каталитического превращения какого-либо вещества, осуществляющегося в присутствие твердой фазы, количество (площадь) доступной для контакта поверхности является важным параметром, ведь чем оно больше, тем выше шанс протекания процесса. Помимо этого, благодаря возможности контролируемо изменять химический состав гидросиликатных слоев, а также параметры процесса их синтеза, можно управлять размерами получающихся наносвитков (внешним диаметром, диаметром канала и длиной). Первый год работы над проектом был посвящен, во-первых, синтезу гидросиликатных наносвитков различного состава с целью оценить, какое количество элемента того или иного рода можно вводить в состав чтобы не развернуть свиток. Дело в том, что такие замещения элементов приводят к изменению разности размеров подслоев, и может наступить момент, когда образование наносвитка будет попросту энергетически невыгодным. Кроме того, для некоторых пар элементов существует определенный концентрационный предел замещения (изучением круга данных вопросов занимается теория изоморфной смесимости), при превышении которого возможно образование новой, не связанной с гидросиликатной, фазы. Вторым направлением стало исследование возможности применения синтезированных наносвитков (и сравнение с наносвитками природного происхождения) для удаления химических загрязнений воды, которые обычно представляют собой катионы тяжелых металлов, вредные органические соединения, красители. Очистка может осуществляться как за счет явления адсорбции, так и каталитического превращения, обезвреживания опасного химического соединения. В ходе работы над проектом было показано, каким образом можно управлять адсорбционной способностью гидросиликатных наносвитков по отношению к токсичному красящему веществу, и в чем состоит механизм этого явления. Кроме того, была показана возможность создания материала для очистки на основе комбинированного эффекта адсорбции и фотокаталитического разложения. Наконец, первый год работы над проектом также был посвящен созданию композиционного материала с наночастицами металла, которые являются катализаторами широкого круга химических процессов, предназначенных, например, для получения синтетических топлив. Замечательной особенностью рассматриваемых наносвитков является то, что металлические частицы могут быть получены непосредственно из них самих путем частичного или полного восстановления катиона, составляющего их кристаллическую структуру.

 

Публикации

1. Красилин А.А., Бодалёв И.С., Малков А.А., Храпова Е.К., Масленникова Т.П., Малыгин А.А. On an adsorption/photocatalytic performance of nanotubular Mg3Si2O5(OH)4/TiO2 composite Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 9 (3), p. 410-416 (год публикации - 2018).

2. Красилин А.А., Данилович Д.П., Юдина Е.Б., Брюйер С., Ганбаджа Д., Иванов В.К. Crystal violet adsorption by oppositely twisted heat-treated halloysite and pecoraite nanoscrolls Applied Clay Science, V. 173, p. 1-11 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Второй год проекта посвящен исследованию каталитической активности материалов на основе нанотубулярных гидросиликатов различного состава. Одним из таких материалов является галлуазит Al2Si2O5(OH)4 с наведенной суперкислотностью, который может быть использован в качестве катализатора в процессах органического синтеза и производстве биотоплив. Кислотные центры на поверхности гидросиликата создавались путем обработки растворами серной кислоты различной концентрации, а их активность проверялась в реакции олигомеризации гексена-1. Было показано, что с ростом концентрации раствора серной кислоты количество центров уменьшается, а также уменьшается и степень конверсии, что связано с селективным растворением алюминий-кислородного слоя в структуре гидросиликата. Было достигнуто увеличение содержание тримера С18 и более тяжелых фракций по сравнению с близкими по составу каталитическими материалами другой (нетубулярной) морфологии, что связано, по всей видимости, с нанотубулярной морфологией галлуазита, имеющего протяженный внутренний канал. Вторым направлением стало исследование каталитической активности металл-силикатных композитов в реакциях гидрирования различных непредельных органических соединений. В данном случае композиционные материалы представляют собой нанотубулярные гидросиликаты никеля, который был полностью или частично восстановлен до металла с помощью водорода. Металлический никель при этом формирует наночастицы с распределением по размерам, зависящим от температуры восстановления и состава исходного гидросиликата. Так, частицы наименьшего размера получаются при максимально возможном содержании никеля в гидросиликате состава (Mg[1-x],Ni[x])3Si2O5(OH)4. С ростом температуры восстановления их размеры также изменяются в меньшей степени, чем у гидросиликата на основе смеси катионов магния и никеля. Благодаря более маленьким частицам композит, полученный из гидросиликата никеля, позволяет достигать более высоких степеней конверсии гексена-1 и ацетона при гидрировании.

 

Публикации

1. Красилин А.А., Страумал Е.А., Юркова Л.Л., Храпова Е.К., Томкович М.В., Шунина И.Г., Васильева Л.П., Лермонтов С.А., Иванов В.К. Сульфатированные наносвитки галлуазита в качестве суперкислотных катализаторов олигомеризации гексена-1 Журнал прикладной химии, - (год публикации - 2019).


Возможность практического использования результатов
Полученные композиционные материалы на основе гидросиликатных наносвитков могут быть использованы в технологии очистки воды, а также в качестве катализаторов процессов органического синтеза.