КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 21-73-00026

НазваниеРазработка перспективного адсорбционного материала для энергоэкономичного, безопасного хранения и транспортировки энергетически важных газов в промышленности нового технологического уклада

РуководительМеметова Анастасия Евгеньевна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет", Тамбовская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2021 - 06.2023

Конкурс№60 - Конкурс 2021 года «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, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словаАдсорбция, микро(нано)пористые углеродные адсорбенты, углеродные наноструктурные материалы, пористая структура, компактирование, физикохимия

Код ГРНТИ31.15.35

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Развитию использования новых возобновляемых источников энергии и энергоносителей отводится существенная роль в Энергетической стратегии развития России на период до 2030 г. Необходимым условием перехода к новой системе энергетического обеспечения, которая должна быть экономически оправданной, является разработка новых технологий. Актуальность предлагаемого проекта обусловлена необходимостью создания перспективного адсорбционного материала, обладающего специфическими свойствами, позволяющими осуществлять технологию энергоэкономичного, безопасного хранения и транспортировки энергетически важных газов в промышленности нового технологического уклада. Научная новизна предлагаемого проекта определяется несколькими факторами – новизной материалов и установлении закономерностей формирования нанопористых углеродных материалов и сорбентов повышенной плотности из полимерного сырья с известным составом и структурой, необходимого для целенаправленного получения адсорбента энергетически важных газов с заданными свойствами и новизной системного подхода для исследования закономерностей влияния установленных параметров процесса синтеза на сорбционные характеристики новых нанопористых углеродных сорбентов по отношению к молекулам энергетически важных газов (метана), в частности: будут получены новые фундаментальные данные о взаимосвязи «условия синтеза – структура – состав – концентрационные соотношения - размер – морфология – свойства поверхности» для новых нанопористых углеродных сорбентов; будут получены новые фундаментальные данные о возможности повышения плотности нанопористых углеродных материалов с целью выявления механизмов влияния уплотнения, оптимальных составов, концентрации и топологии сорбентов для практического применения в технологиях энергоэкономичного, безопасного хранения и транспортировки энергетически важных газов (метана) для промышленности нового технологического уклада; будут получены новые фундаментальные знания о механизмах и закономерностях адсорбции метана в объеме пор нового углеродного сорбента повышенной . Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы - создания нанопористого углеродного сорбента, обеспечивающего концентрирование молекул природного газа (метана) в порах с высокой плотностью, с целью повышения удельного объема газа в системе хранения, что позволит обеспечить переход от существующих видов энергоресурсов к инновационным топливам будущего и получить уникальные возможности развития целой области альтернативной энергетики.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будет разработана методика синтеза новых высокоэффективных адсорбентов на основе углеродных нанопористых материалов для применения в системах хранения и транспортировки энергетически важных газов, в частности метана. Будут проведены комплексные экспериментальные исследования по изучению закономерностей формирования нанопористого углеродного материала специального для задач аккумулирования метана. Будут определены и оптимизированы условия проведения синтеза (температура, расход активирующего агента, время активации) нанопористого углеродного материала, необходимые для его практического использования. Будут исследованы текстурные и структурные характеристик синтезированных материалов. Будет разработан способ повышения насыпной плотности нового углеродного нанопористого материала. Будут исследованы закономерности формирования нанопористого углеродного материала повышенной насыпной плотности для аккумулирования энергетически важных газов, в частности метана. Будут определены и оптимизированы условия уплотнения путем выбора технологических режимов формования (концентрация связующего, давление прессования, время выдержки под давлением, температура) нанопористого углеродного материала. Будут проведены комплексные исследования пористой структуры, морфологии образцов повышенной плотности на основе новых углеродных наноструктурных адсорбентов метана. Будет проведен комплекс экспериментальных исследований адсорбции метана на разработанных материалах. Полученные знания будут обладать высокой научной новизной и иметь масштабы мировой значимости, которые позволят технологии адсорбционного аккумулирования метана, эффективного и экологичного газового топлива, занять лидирующее положение среди технологий хранения газов для мобильных источников энергии, и, как следствие решить большую экологическую проблему использования продуктов переработки нефти в качестве топлива для автомобилей и энергетических установок. Кроме того, позволит решить проблему, связанную с истощением природных запасов нефти, приводящую к поиску более трудноступных месторождений и, соответственно, новых энергозатратных технологий извлечения. Таким образом, в этой области будет выполнен научно-технологический задел мирового масштаба, учитывающий максимальное количество специфических вопросов в области физикохимии, адсорбции и материаловедения. В результате будет разработан перспективный адсорбционный материал, обладающий специфическими свойствами, для применения в системах хранения и транспортировки энергетически важных газов. Системы хранения адсорбированного природного газа (АПГ). имеют ряд преимуществ перед системами компримированного природного газа (КПГ) и сжиженного природного газа (СПГ), в связи с тем, что характеризуются работой при более низких давлениях по сравнению с КПГ, предполагают использование более дешевого оборудования по сравнению с СПГ и являются самым безопасным способом хранения природного газа. Системы хранения и транспортировки энергетически важных газов, в частности метана, позволят обеспечить следующие преимущества: абсолютную технологическую преемственность АПГ-систем в существующей газовой инфраструктуре, которая обуславливает практическое отсутствие рисков от их внедрения; высокую пожарную и взрывобезопасность, так как газ находится в пористой системе в связанном состоянии; снижение вероятности и последствий аварий на транспортных средствах с газомоторным топливом; развитие массовой инфраструктуры заправочных станций за счет энергосбережения и повышенной безопасности; массовый переход на природный газ частного легкового транспорта благодаря развитой системе заправочных станций и безопасности; улучшение экологии, особенно крупных городов за счет массового внедрения природного газа вместо бензина и дизеля.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе выполнения проекта разработана методика синтеза нанопористых углеродных материалов (НУМ) из полимерного сырья (смеси фурфурола, гидрохинона и уротропина). Изучено влияние массового соотношения исходных компонентов на свойства получаемого НУМ и найден оптимальный состав тройной системы Фурфурол - Гидрохинон -Уротропин. Изучено влияние условий и параметров процесса синтеза (времени, температуры и массового соотношения активирующего агента к прекурсору) на структуру НУМ. Результаты адсорбции-десорбции азота показали, что образцы НУМ, полученные путем варьирования температуры активации были микропористыми, но с различным объёмом микропор и с одинаковым распределением пор по размерам. Варьирование массового соотношения активирующего агента (KOH) к прекурсору, позволило получить микропористые, микромезопористые и мезопористые НУМ. На основании этих результатов была получена серия образцов НУМ с изменяющейся аналогичной иерархией пор (SBET: 1284–3030 м2/г; Vmic: 62.6–100%; Vmes: 0–37.4%). Также были получены образцы НУМ с различной иерархией пор и различной удельной поверхностью, включая микропористые НУМ (SBET: 1546–3030 м2/г; Vmic/ Vt: 76.0-100%), микромезопористые (SBET: 3204-3516 м2/г; Vmic/ Vt: 41.2-57.4% Vmes/ Vt: 42.6-58.8%) и мезопористые НУМ (SBET: 3641-3649 м2/г; Vmes/ Vt: 74.0-83.8%). Предложен механизм направленного регулирования пористой структуры НУМ, который важен для получения высокоэффективных НУМ для различных приложений, в том числе адсорбции метана. Предположен механизм развития пор при активации КОН карбонизата разработанного нового полимерного прекурсора. Исследовано влияние параметров активации KOH на структуру НУМ с использованием романовской спектроскопии. Установлено, что значения отношения интенсивностей пиков ID/IG увеличиваются с ростом объема микропор в образцах НУМ, и, как следствие, снижаются с их уменьшением. Исследование влияния параметров активации KOH на структуру НУМ с использованием рентгеновского дифрактометра показало, что температуры активации и массового соотношения KOH к карбонизату приводит к увеличению содержания аморфной фазы в полученных материалах, что может оказывать положительное влияние на пористую структуры углеродных адсорбентов. Морфология поверхности НУМ имеет сильно развитую слоистую структуру с большим количеством пор, которая обладает большой площадью поверхности. Исследование влияния параметров активации KOH на структуру НУМ с использованием ИК Фурье-спектроскопии показало, что спектры карбонизата (прекурсора) до и после активации КОН с различным массовым соотношением активирующего агента (KOH) к карбонизату и различным времени активации представляют собой сложные колебательные пики, в основном включающие пики алифатических C-H и -CH, ароматических С=О, алифатических эфиров и спиртов С-О, а также ароматических С=С. Наиболее интенсивные полосы наблюдались около 3411 см-1, которые следует отнести к наличию свободных и межмолекулярных колебаниям растяжения O-H. Исследовано термическое поведение образца НУМ после активации KOH в ТГ-ДСК при линейном изменении температуры от комнатной до 900° C. Было обнаружено, что потеря массы была около 20% до 900 °C, а основная потеря массы происходила на выше 500 °C, что связано с выделением H2 и CO, образованных в результате реакций между KOH и углеродом в карбонизированном прекурсоре. Таким образом разработаны научно-технологические основы синтеза нового нанопористого углеродного сорбента и установлены важнейшие закономерности формирования и регулирования свойств материала при варьировании параметров технологического процесса для задач адсорбции и хранения энергетически важных газов, в частности метана.

Публикации

1. Меметова А.Е., Зеленин А.Д., Меметов Н.Р., Герасимова А.В. СИНТЕЗ НАНОПОРИСТОГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНОГО СЫРЬЯ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31044/1684-579X-2022-0-7-43-47

2. Меметова А.Е., Тяги И., Рао Карри Р., Сухас, Меметов Н.Р., Зеленин А.Д., Столяров Р.А., Бабкин А.В., Ягубов В.С., Бурмистров И.Н., Ткачев А.Г., Богословский В.М., Шигабаева Г.Н., Галунин Е.В. High-Density Nanoporous carbon materials as storage material for Methane: A value-added solution Chemical Engineering Journal, Volume 433, Part 1, 134608 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134608

3. - РОССИЙСКАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ ХРАНЕНИЯ МЕТАНА СДЕЛАЕТ ЕГО ВЫГОДНЫМ И ДЛЯ ЛЕГКОВУШЕК Третий Рим., - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения проекта разработана методика получения нанопористого углеродного сорбента повышенной плотности. Изучена адсорбция метана на образцах нанопористых углеродных материалов (НУМ) с различной иерархией пор и различной удельной поверхностью. Полученные образцы обладают высокой до 20 ммоль/г при 100 бар и температуре 298 К адсорбционной способностью к метану. Исследовано влияние технологических режимов формования нанопористого углеродного материала (НУМ) и концентрации связующего на структуру получаемого нанопористого углеродного материала повышенной плотности (НУМПП) специального для задач аккумулирования метана. На основании этих результатов был получен сорбент метана повышенной плотностью более чем в 3 раза (0,643 г/см3) и обладающий хорошо развитой удельной поверхностью (3517 м2/г) и суммарным объемом пор (1,835 см3/г). Исследовано влияния процесса уплотнения на структуру пор НУМ. Полученный НУМПП имеет мультимодальное распределение пор по размеру с пиками в центре около 1 нм, 1,7 нм, 3 нм и 6 нм. Выявлено, что использование связующего приводит к незначительному уменьшению удельной поверхности по БЭТ (на ∼1%) и общего объема пор (на ∼16 %). Исследовано влияние процесса уплотнения на структуру НУМ с использованием рамановской спектроскопии. Установлено, что отношение интенсивности для НУМ и НУМПП составило 2.16, что позволяет предположить, что метод уплотнения не повлиял на степень графитизации и количество дефектов структуры. Исследовано влияния процесса уплотнения на структуру НУМ с использованием рентгеновского дифрактометра. Установлено, что значительных изменений в спектре образца НУМПП по сравнению с исходным НУМ не наблюдалось, что свидетельствует о сохранении графитоподобных кристаллических структур НУМ после процесса уплотнения, а появление нового пика в спектре образца НУМПП следует отнести к поливиниловому спирту, используемому в качестве связующего в процессе уплотнения НУМ. Исследовано влияние процесса уплотнения на структуру и состав поверхностных функциональных групп НУМ с использованием ИК Фурье-спектроскопии. Установлено, что положения максимумов в исследуемой области как для исходного НУМ, так и для НУМПП практически совпадают. Ключевые отличия заключаются в присутствии ряда малоинтенсивных пиков, характерных для связующего, используемого в процессах получения нанопористого углеродного сорбента метана повышенной плотности. Выявлено и установлено, что в области сверхкритических давлений (до 100 бар) метан может адсорбироваться в порах не более 6 нм. Исследована адсорбция метана в широком интервале давлений при температурах выше критической. Также в работе выполнено моделирование сорбционных процессов на поверхности синтезированного НУМ. Показано, что дифференциальные мольные теплоты адсорбции метана уменьшается с 24 до 10 кДж/моль, что доказывает, что процесс адсорбции метана на НУМ является физадсорбционным. Получены данные гравиметрической и объемной адсорбции метана на НУМ и НУМПП при температуре 298 К и давлениях до 100 бар. Установлено, что активная удельная объемная емкость по метану для НУМПП в 2 раза выше, чем у НУМ. Таким образом разработаны научно-технологические основы синтеза углеродных нанопористых адсорбентов нового поколения для задач хранения и транспортировки энергетически важных газов, в частности метана.

Публикации

1. Меметова А.Е., Зеленин А.Д., Меметов Н.Р., Пасько Т.В., Герасимова А.В., Таров Д.В. СИНТЕЗ НАНОПОРИСТЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОТРАСЛЕЙ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Вопросы материаловедения, 2022, № 3(111), 41-48 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.22349/1994-6716-2022-111-3-41-48

2. Меметова А.Е., Тьяги И., Рао Карри Р., Сухас, Сингх П., Госчанска Д., Меметов Н.Р., Зеленин А.Д., Герасимова А.В., Ткачев А.Г., Бабкин А.В., Шуклинов А. В., Хади Дегани М.,Агарвал Ш. Synthesis of carbon energized materials with directed regulation of specific surface and pore structure as potential adsorbent for methane mitigation Journal of Environmental Chemical Engineering, Volume 10, Issue 6, 2022, 108929 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.108929

3. Меметова А.Е., Тяги И., Рао Карри Р., Кумар В., Тяги К., Сухас, Меметов Н.Р., Зеленин А.Д., Пасько Т.В., Герасимова А.В., Таров Д.В., Хади Дегани М., Сингх К. Porous carbon-based material as a sustainable alternative for the storage of natural gas (methane) and biogas (biomethane): A review Chemical Engineering Journal, Volume 446, Part 4, 2022, 137373 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137373

Возможность практического использования результатов
Полученные в проекте результаты могут быть использованы для создания в Российской Федерации промышленного производства наноструктурных углеродных материалов для решения специальных задач в области хранения и транспортировки газов. На сегодняшний день несмотря на то, что в стране выпускается значительное количество углеродных сорбентов ни один известный производитель не декларирует применимость своих изделий в данной области. Таким образом разработанные в проекте методики и технологические подходы способны при надлежащей заинтересованности бизнес-сообщества и/или ФОИВов, привести к технологическому прорыву в данной области и обеспечить технологический суверенитет страны в данной области.