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 21-73-20269

НазваниеДизайн и физико-химические исследования новых наноразмерных наноструктурированных катализаторов для процессов переработки растительных полисахаридов в ценные химические продукты

РуководительТаран Оксана Павловна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Красноярский край

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2024 г. 

Конкурс№51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Объект инфраструктуры Центр коллективного пользования «Национальный центр исследования катализаторов».

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

Ключевые словатвердые катализаторы, рутений, углерод, мезоструктурированный силикат, ZrO2, Nb2O5, полисахариды, гидролиз, гидрирование, гидрогенолиз, муравьиная кислота, сорбитол, ксилитол, этиленгликоль, пропиленгликоль

Код ГРНТИ31.15.28; 31.15.27; 31.23.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на решение актуальной проблемы разработки новых катализаторов и каталитических методов для переработки возобновляемой растительной биомассы в востребованные химические продукты и сырье для производства компонентов топлив. Научной задачей проекта является разработка фундаментальных основ целенаправленного дизайна би- и полифункциональных катализаторов на основе наноструктурированных мезопористых носителей, содержащих кислотные и основные центры, а также наноразмерные частицы металлов, для процессов переработки растительных полисахаридов. Разработка эффективных би- и/или многофункциональных катализаторов, способных осуществлять в один этап многостадийные превращения, позволит решить актуальные проблемы комплексной переработки растительного сырья. В проекте впервые предлагается использовать приготовленные оригинальными методами би- и многофункциональные наноразмерные Ru-содержащие катализаторы на наноструктурированных носителях (мезопористый графитизированный углерод (Сибунит, CMK-3), мезопористый силикат SBA-15) с кислотными (получены окислением и сульфированием углеродных носителей и модификацией добавками ZrO2 и Nb2O5 оксидного носителя SBA-15) и с основными активными центрами (получены модификацией носителей добавками Ca, Mg, La и др.) для осуществления одностадийных (one-pot) процессов гидролиза-гидрирования полисахаридов (целлюлозы и гемицеллюлоз) в сорбитол и ксилитол, гидролиза-гидрогенолиза полисахаридов в этиленгликоль и пропиленгликоль. Акцент в работе будет сделан на использование экологически безопасного и перспективного донора водорода − муравьиной кислоты, получаемой из растительных полисахаридов. Впервые, с применением широкого круга самых современных физико-химических методов (оборудование последнего поколения ЦКП НЦИК (ПЭМ, РФЭС, РФА, РФС, ИК-Фурье с молекулами зондами, адсорбция СО и N2), квантовая химия), будет выполнено систематическое научное исследование, направленное на: 1) установление взаимосвязей между физико-химическими свойствами би- и полифункциональных наноразмерных наноструктурированных катализаторов (кислотно-основными свойствами, текстурой и морфологией носителя, дисперсностью и электронным состоянием активного компонента, взаимным расположением кислотных и металлических центров) и их каталитическими свойствами в изучаемых процессах; 2) установление кинетических закономерностей процессов одностадийной конверсии полисахаридов и их экспериментальную и математическую оптимизацию; 3) выявление механизма действия катализаторов в изучаемых процессах, в том числе, природы каталитически активных центров и ключевых промежуточных соединений.

Ожидаемые результаты
По окончании проекта в 2024 году будут получены следующие оригинальные результаты. 1. Разработаны бифункциональные наноразмерные Ru-содержащие катализаторы на мезопористых углеродных носителях, содержащие кислотные центры, для процесса гидролиза-гидрирования полисахаридов (целлюлозы и гемицеллюлоз) в сорбитол и ксилитол с использованием муравьиной кислоты в качестве источника водорода. 2. Разработаны наноразмерные полифункциональные Ru-содержащие катализаторы на мезопористых оксидных носителях, содержащие кислотные и основные центры, для гидролиза-гидрогенолиза полисахаридов в этиленгликоль и пропиленгликоль с использованием муравьиной кислоты в качестве восстановителя. 3. Установлены взаимосвязи между физико-химическими свойствами полученных наноразмерных наноструктурированных би- и полифункциональных катализаторов и их каталитическими свойствами в указанных процессах. 4. Предложены кинетические модели и осуществлена экспериментальная и математическая оптимизация изучаемых каталитических процессов превращений полисахаридов. 5. Предложен механизм вышеперечисленных многостадийных процессов и, в том числе, механизм каталитического действия, природа каталитически активных центров и ключевых промежуточных соединений. Решение указанных задач позволит получить научные результаты мирового уровня и создать научные основы целенаправленного дизайна твердых би- и полифункциональных наноразмерных наноструктурированных катализаторов для процессов экономически эффективной и экологически безопасной комплексной переработки растительных полисахаридов в широкий ассортимент ценных химических продуктов и сырья для получения компонентов топлив (сорбитол, ксилитол, этиленгликоль, пропиленгликоль и их производные). Указанные ожидаемые результаты внесут существенный вклад в решение задач перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, а также формирования новых источников, способов транспортировки и хранения энергии (использование муравьиной кислоты в качестве донора водорода).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Подробно изучено получение катализаторов на основе кислотно-модифицированных (окисленных влажным воздухом или сульфированных) мезопористых мезоструктурированных углеродных носителей Сибунит и СМК-3, содержащих закреплённый наноразмерный рутений, с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, хемосорбции моноксида углерода, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Проведено квантовомеханическое моделирование закрепления рутения на поверхности углеродных носителей. Рассмотрено влияние кислотности носителя и количества нанесённого металла на размер его частиц и расположение в зёрнах катализатора. Исследован механизм гидролиза гликозидной связи, катализируемого модельным катализатором, моделирующим кислотные центры окисленных углеродных материалов. При возрастании количества и силы кислотных центров катализатора наблюдается систематическое снижение размера частиц закреплённого рутения. Повышение содержания металла в катализаторе, напротив, приводит к росту размера его частиц. В случае носителя СМК-3, не подвергавшегося окислению, частицы металла в порах обнаружены не были (по данным электронной микроскопии), что указывает на слабое взаимодействие рутения с немодифицированной поверхностью углерода. По данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии поверхность металла в изученных катализаторах покрыта оксидной плёнкой. Соединения рутения способны катализировать такие реакции, как гидролиз углеводов, гидролиз 5-гидроксиметилфурфурола в левулиновую кислоту, диспропорционирование альдегидных групп в спиртовую и карбоксильную; протекание этих реакций было обнаружено во время каталитических испытаний, и их протекание трудно объяснить иными эффектами, нежели вклад оксидной плёнки нанесённого на исследованные катализаторы рутения. Проведено квантовомеханическое моделирование закрепления субнаноразмерных и наноразмерных частиц рутения на поверхности графенового листа (модель углеродных носителей), модифицированного гидроксильными, карбоксильными и сульфонокислотными функциональными группами. Показано, что энергия взаимодействия субнаноразмерного кластера из 26 атомов рутения заметно возрастает при наличии соседних кислородсодержащих групп. Увеличение числа соседних гидроксильных групп от одной до трёх приводит к росту энергии взаимодействия от 5,3 до 7,6 эВ. В случае карбоксильных или сульфонокислотных групп этот диапазон составляет 5,8 8.8 эВ, при этом наблюдается некоторое снижение энергии при переходе от двух к трём соседним группам. При переносе атома водорода с одной из соседних кислотных групп на поверхность металла наблюдается дополнительная стабилизация системы: в случае гидроксильных групп энергия составляет 6,6 9,8 эВ, в случае карбоксильных 7,5 11,4 эВ, в случае сульфонокислотных 8,0 12,1 эВ; при этом для карбоксильных и сульфонокислотных в отличие от модели без диссоциации функциональных групп энергия монотонно возрастает при увеличении их количества от одной до трёх. Для сравнения, взаимодействие рассмотренного металлического кластера с немодифицированным графеном характеризуется энергией около 4,9 эВ. Результаты теоретического моделирования находят подтверждение в свойствах полученных нами катализаторов на углеродных носителях Сибунит и СМК-3. Возрастание количества и силы кислотных групп носителя, определённое по результатам кислотно-основного титрования и измерения точки нулевого заряда систематически приводит к уменьшению размера закреплённых частиц рутения, что демонстрирует компенсацию поверхностной энергии тонкодисперсного металла за счёт взаимодействия с кислотными центрами носителя. Также нанесение металла всегда приводит к некоторому сдвигу точки нулевого заряда в щелочную область, что может подтверждать частичный перенос водорода кислотных центров на металл. Полученные катализаторы испытаны в автоклавных экспериментах по гидролизу и гидрированию растительных полисахаридов целлюлозы и гемицеллюлозы (ксилан). Обнаружено, что количество и соотношение субстрата и катализатора может существенно влиять на состав продуктов, регистрируемых в жидкой фазе, что, скорее всего, обусловлено адсорбцией продуктов на поверхности катализатора (с возможным последующим осмолением). Если такую особенность процессов переработки растительного сырья с применением твёрдых катализаторов не учитывать, это может существенно искажать достоверность экспериментальных выводов, но ранее этот эффект не находил отражения в научной литературе. Обнаружено, что нанесение рутения на окисленный СМК-3 приводит к изменению состава продуктов гидролиза целлюлозы. Если на окисленном носителе без рутения наблюдается преимущественное образование 5-гидроксиметилфурфурола, то с рутением в основном образуется левулиновая кислота (которая по литературным данным обычно не регистрируется при гидролизе целлюлозы на угольных катализаторах). Другим необычным каталитическим эффектом нанесённого рутения является образование левулиновой кислоты при гидролизе ксилана. Образование левулиновой кислоты из пентозных сахаров возможно через фурфуриловый спирт, образование которого в системе без дополнительных восстановителей предполагает восстановление фурфурола за счёт диспропорционирования альдегидных групп (самого фурфурола или ксилозы) в спиртовую и карбоксильную. Протекание подобного диспропорционирования под действием соединений рутения в принципе известно в литературе, но его применение для получения левулиновой кислоты из пентозанов остаётся практически неизученным. Благодаря высокой дисперсности нанесённого рутения, изученные катализаторы проявляют высокую гидрирующую активность в отношении моносахаридов. Например, при 60 °С за 40 минут достигается 90 % превращение глюкозы в сорбитол с более чем 90 % селективностью (давление водорода 5,5 МПа). Рост температуры приводит к избыточному гидрированию, вызывающему образование более низкомолекулярных продуктов (этиленгликоль, глицерин, бутанди- и триол и т. п.). Предприняты попытки проведения one-pot гидролиза-гидрирования ксилана в ксилитол с использованием муравьиной кислоты в качестве восстановителя. Реализация такого процесса на изученных катализаторах затруднительна из-за значительной гидрирующей активности последних, приводящей к избыточному гидрированию сахарного спирта в вышеописанные побочные продукты при температурах, необходимых для гидролиза ксилана и в особенности целлюлозы. Таким образом, one-pot процессы получения сахарных спиртов из растительных полисахаридов в присутствии катализаторов на основе рутения на углеродных носителях трудно осуществить с высокими выходами целевых продуктов. Тем не менее, разработанные катализаторы показали крайне высокую гидрирующую способность, вероятно, обусловленную высокой дисперсностью частиц рутения. Следовательно, эти катализаторы могут быть предложены для гидрирования широкого круга карбонильных соединений (в первую очередь компонентов биомассы) в водной среде в мягких условиях. А для реализации one-ot процесса получения полиолов из полисахаридов рациональнее рассмотреть катализаторы, обладающие меньшей гидрирующей способностью (например, менее дорогостоящий никель). Обнаружен эффект ускорения гидролиза гликозидной связи в молекуле целлобиозы при совместном катализе фталевой кислотой (гомогенная модель гетерогенных кислотных катализаторов – окисленных углей) и соляной кислотой, т. е. скорость гидролиза с комбинацией кислот превышает сумму скоростей реакции с отдельными кислотами. Обнаружено, что этот эффект ускорения ослабевает при повышении температуры, вплоть до снижения скорости реакции с комбинацией катализаторов по сравнению с суммой скоростей для отдельных катализаторов. Взаимодействие твёрдой целлюлозы и растворимых углеводов с катализаторами гидролиза типа окисленных и сульфированных углей является сложным процессом, физико-химическая природа которого остаётся во многом не изученной. Проведённое исследование рассматривает механизм гидролиза гликозидной связи и показывает возможность взаимного влияния различных активных центров твёрдого катализатора на этой стадии процесса, даже если оба центра имеют близкородственную химическую природу (в данном случае являются кислотами Брёнстеда). Рассмотренный на уровне модельных катализаторов механизм одновременной активации одного субстрата двумя разными катализаторами (т.н. катализ с двойной активацией) в принципе может проявиться при гидролизе на сульфированных углях, обладающих как слабокислыми органическими функциональными группами ("реальный" аналог модельной фталевой кислоты), так и сильнокислыми сульфоновыми. Теоретически, сульфонокислотные протоны способны к диссоциации и могут катализировать химические реакции на некотором удалении от самой сульфоновой группы, таким образом, атакуя гликозидную связь, адсорбированную на соседних вышеупомянутых органических кислотных группах. Выяснение фактического вклада такого механизма с двойной активацией в гидролиз углеводов на сульфированных углях требует дальнейших исследований. Но следует отметить, что предложенное в нашем исследовании объяснение для ослабления вклада такого механизма с ростом температуры принципиально применимо для любых реакций, включающих одновременное воздействие двух разных катализаторов. Такого рода механизмы особенно распространены в асимметричном органическом синтезе, однако влияние температуры на желаемый в таких процессах маршрут практически не рассматривается в научной литературе.

 

Публикации

1. Маляр Ю.Н., Васильева Н.Ю., Казаченко А.С., Боровкова В.С, Скрипников А.М., Мирошникова А.В., Зимонин Д.В., Ионин В.А., Казаченко А.С., Иссаоуи Н. Modification of Arabinogalactan Isolated from Larix sibirica Ledeb. into Sulfated Derivatives with the Controlled Molecular Weights Molecules, том 26, вып. 17, стр. (номер статьи) 5364 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/molecules26175364

2. Тарабанько Н.В, Голубков В.А., Сычев В.В., Тарабанько В.Е., Таран О.П. Acceleration by double activation catalysis and its negation with rising temperature in hydrolysis of cellobiose with phthalic and hydrochloric acids ChemPhysChem, online only (ahead-of-print) (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1002/cphc.202100804

3. Голубков В.А., Тарабанько Н.В., Таран О.П. Особенности гидролиза целлобиозы при совместном воздействии фталевой и соляной кислот Сборник тезисов докладов конференции «IX Молодежная конференция ИОХ РАН, посвященная 160-летию со дня рождения академика Н.Д. Зелинского», 11 – 12 ноября 2021 г., г. Москва, С. 59 в сборнике. Издан: г. Москва - ИОХ РАН, 2021 (год публикации - 2021)

4. Сычев В.В. Скрипников А.М., Тарабанько Н.В., Таран О.П. Перспективные бифункциональные Ru/C катализаторы переработки растительных полисахаридов в химические продукты на основе углеродного материала Сибунит РОСКАТАЛИЗ. IV Российский конгресс по катализу : Сборник тезисов докладов. 20‐25 сентября 2021 г., г. Казань, С. 120-121 в сборике. Издано г. Новосибирск : Институт катализа СО РАН, 2021 (год публикации - 2021)

5. Таран О.П., Громов Н.В., Медведева Т.Б., Тимофеева М.Н., Пармон В.Н. Гомогенные, твёрдые и закреплённые гетерополикислотные катализаторы для процессов переработки целлюлозы Гомогенные и закреплённые металлокомплексные катализаторы для процессов полимеризации и нефтехимии. VI Семинар, посвящённый памяти Ю.И. Ермакова: сборник тезисов докладов, 28 июня – 02 июля 2021 г., пос. Листвянка, Иркутской области., С. 145-146 в сборнике тезисов. Издано: Институт катализа СО РАН – Новосибирск, 2021. (год публикации - 2021)


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На этапе отчетного 2022 г разрабатывались кислотные Zr(Nb)-содержащие носители на основе мезопористого мезоструктурированного силиката SBA 15 и бифункциональные Ru(Ni)-содержащие катализаторы на их основе. Отработаны методики синтеза катализаторов, содержащих закреплённый наноразмерный рутений (0,5; 1; 2 масс. % Ru), никель (10 масс. % Ni), ниобий (2,5; 5; 10 масс. % Nb2O5) на носителе SBA-15, содержащем 5 масс. % ZrO2. Носители и катализаторы исследованы комплексом физико-химических методов: рентгеновской дифракцией, низкотемпературной адсорбцией азота, ИК-спектроскопией с молекулами зонда, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопией высокого разрешения, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией. Проведено квантовомеханическое моделирование оксидных систем, содержащих ZrO2, Nb2O5 на поверхности SBA-15. Носители и катализаторы испытаны в реакциях гидролиза и гидрирования растительных полисахаридов. На дифрактограммах носителей, полученных соконденсацией Zr-SBA-15 (до 15 масс. % ZrO2) и импрегнированием, наличие максимумов в малоугловой области указывает на образование мезоструктуры гексагонального типа. При введении циркония (до 15 масс. %) происходит значительное сжатие структуры носителя, на что указывает сдвиг рентгенографического рефлекса (100) и уменьшение межплоскостного расстояния на 8-10Å по сравнению с SBA-15 (уменьшение параметра элементарной ячейки). Носители Zr/SBA-15, полученные методом импрегнирования, также имеют чётко выраженную гексагональную структуру, изменяющуюся незначительно при введении до 20 масс. % ZrO2. Тестирование носителей Zr-SBA-15 на устойчивость в водной среде (100 °С, 1 час) показало сохранение мезоструктуры (данные РФА) и незначительное снижение содержания Si в композитах (данные РФС). Изотермы низкотемпературной адсорбции азота для Zr-содержащих носителей и Nb/5%Zr-SBA-15 в соответствии с классификацией ИЮПАК характеризуются IV типом. Добавление циркония в процессе синтеза практически не меняет форму изотермы, однако смещает петлю гистерезиса в сторону меньшего относительного давления. Распределение пор по размерам показывает, что диаметр пор уменьшается с увеличением добавки циркония. Носители Zr-SBA-15 имеют меньшую площадь поверхности, объем и диаметр пор по сравнению с исходным образцом SBA-15, что объясняется внедрением циркония в стенку материала, приводящему к утолщению стенки материала. Для носителей Zr/SBA-15 также характерно уменьшение удельной поверхности и объема пор за счёт их заполнения, параметр элементарной ячейки и толщина стенки при этом практически не изменяются. Нанесение ниобия на носитель 5%Zr-SBA-15 не меняет форму изотермы и не смещает петлю гистерезиса, при этом кривая распределения пор по размерам смещается в сторону меньшего диаметра, вероятно, из-за покрытия оксидом ниобия внутренних стенок пор материала. Повышение количества оксида ниобия в образцах с 2,5 до 10 масс. % практически не изменяет величину и форму распределения пор по размерам. Общая удельная поверхность, объем, диаметр пор и поверхность микропор с ростом (до 10%) нанесенного количества ниобия уменьшаются. Толщина стенки, напротив, увеличивается от 28,3 до 37,2 Å, что можно объяснить покрытием внутренней поверхности мезопор оксидом ниобия. При синтезе Zr-содержащих носителей методом соконденсации происходит укорочение волокон (каналов) SBA-15. Для SBA-15 длина волокон составляет 2-3 мкм, для 5%Zr-SBA-15 – 0,3-0,5 мкм, при этом происходит “склеивание” волокон между собой, приводя к форме узорчатых пластин. Добавление 20% ZrO2 приводит к монолитной пористой структуре. По-видимому, это есть следствие высокой концентрации ZrO2 на внешней поверхности частиц материала, что вызывает взаимную адгезию частиц и образование на поверхности агломератов, создающих подобный эффект. На микрофотографиях образцов Ru/5%Zr-SBA-15 отдельных частиц рутения не обнаружено, что свидетельствует о равномерном заполнении пор материала, при этом присутствует вторая плохо структурированная фаза с высоким содержанием Zr, O и Ru (по данным РФС-ПЭМ). Данные РФА также подтверждают присутствие в образцах 5%Zr-SBA-15 второй фазы с меньшим параметром элементарной ячейки. На микрофотографии образца 10%Ni/5%Zr-SBA-15 в межчастичном пространстве катализатора отчетливо видны отдельные включения никеля размером до 10Å, присутствие кристаллической фазы никеля также подтверждается данными РФА. Систематически исследовано влияние количества циркония на Zr-содержащих носителях на процесс гидролиза гемицеллюлоз. Установлено, что температура реакции гидролиза оказывает влияние, как на скорость образования конечных продуктов, так и на селективность процесса. Активность катализаторов, полученных методом соконденсации, увеличивается в ряду: 20%Zr-SBA-15<15%Zr-SBA-15<10%Zr-SBA-15<5%Zr-SBA-15 с увеличением кислотности и снижением pHтнз. Носители, полученные соконденсацией, показывают большую активность в гидролизе арабиногалактана по сравнению с носителями, полученными импрегнированием (выход моносахаридов составляет >50 масс. %). В реакции гидролиза ксилана высокая температура снижает выход целевого продукта (ксилозы) и интенсифицирует реакцию дегидратации с образованием фурфурола и левулиновой кислоты в присутствии катализатора 5%Zr-SBA-15. Нанесение ниобия на 5%Zr-SBA-15 не оказывает существенного влияния на каталитическую активность в процессе гидролиза ксилана. Проведено систематическое исследование влияния содержания металла на процесс гидрирования растительных ксилозы c использованием серии катализаторов с различным содержанием рутения (0,5; 1 и 2 масс. %) на 5%Zr-SBA-15. Активность катализаторов зависит от природы нанесённого металла и от количества нанесенного металла (0,5<1<2 % Ru). Катализаторы, содержащие Ru, показывают большую активность, чем Ni-содержащий катализатор. Наибольшую активность проявил катализатор, содержащий 2% Ru. Одностадийный процесс гидролиза-гидрирования гемицеллюлоз лимитируется разложением полисахарида до мономеров. В одностадийном процессе получения ксилита из растительного полисахарида (ксилана) в присутствии катализаторов 0,5%Ru/5%Zr-SBA-15 10%Ni/5%Zr-SBA-15 не удалось достичь высокого выхода целевого продукта. Повышение температуры процесса ускоряет образование ксилозы, однако приводит к дальнейшим превращениям ксилита, что негативно сказывается на выходе целевого продукта. Понижение температуры замедляет гидролиз с образованием моносахарида, снижая выход ксилита. В ходе квантовомеханического моделирования оксидных систем, содержащих ZrO2, Nb2O5 на SBA-15, определены структурные характеристики поверхностных фаз оксидов d-металлов(M) - параметры трансляционных ячеек, наличие в координационных сферах атомов M от четырех до семи атомов кислорода, характеристичные геометрические параметры координационных сфер атомов М – расстояния до атомов терминальных и мостиковых О, атомов О гидроксильных и -OSi групп (распределенных в интервале 175 – 223 пм. Определена сравнительная сила различных кислотных центров по энергиям реакции с молекулой основания MeCN, бренстедовских (E=0,2-0,6 эВ) и льюисовских (Е=0,1-1,5 эВ). Определена устойчивость фаз с низко-координированными атомами d-металлов к заполнению их координационных сфер ОН группами в ходе реакции с молекулами воды (Е=0,03-1,6 эВ). Таким образом, выполненные исследования позволили разработать твердый бифункциональный катализатор 2%Ru/5%Zr-SBA15, высоко активный в реакции гидрирования моносахаридов при низкой температуре (выход ксилита из ксилозы 94 масс. %) и гидролиза арабиногалактана (выход моносахаридов выше 50%).

 

Публикации

1. Дрозд Н.Н., Кузнецова С.А., Маляр Ю.Н., Казаченко А.С., Борокова В.С., Бережная Я.Д. Thrombin and Factor Xa Hydrolysis of Chromogenic Substrates in the Presence of Sulfated Derivatives of Galactomannan and Galactoglucomannan Natural Gels Pharmaceutics, Т. 14, №12, 2678 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14122678

2. Сычев В.В., Маляр Ю.Н., Скрипников А.М., Троцкий Ю.А., Зайцева Ю.Н., Еремина А.О., Боровкова В.С., Таран О.П. Larix Sibirica Arabinogalactan Hydrolysis over Zr-SBA-15; Depolymerization Insight Molecules, Т. 27, №24, 8756 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/molecules27248756

3. Таран О.П., Мирошникова А.В.,Барышников С.В., Казаченко А.С., Скрипников А.М., Сычев В.В., Маляр Ю.Н., Кузнецов Б.Н. Reductive Catalytic Fractionation of Spruce Wood over Ru/C Bifunctional Catalyst in the Medium of Ethanol and Molecular Hydrogen Catalysts, Т. 12, №11, 1384 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/catal12111384

4. Голубков В. А. Катализ с двойной активацией при гидролизе целлобиозы фталевой и соляной кислотами и влияние температуры на него Междисциплинарная конференция молодых учёных ФИЦ КНЦ СО РАН (КМУ-XXIV): тезисы докладов (Красноярск, 14 апреля 2022 г.), С. 31 (год публикации - 2022)

5. Голубков В.А. Influence of adsorption of electrically neutral reactants on electrical double layer in solid acid catalysts, and its relation to catalytic activity Proceedings of VII International scientific school-conference for young scientists “Catalysis: from science to industry”, С. 153 (год публикации - 2022)

6. Голубков В.А., Сычёв В.В., Зайцева Ю.Н., Наслузов В.А., Еремина А.О., Скрипников А.М., Таран О.П. Влияние кислотности носителя на свойства Ru/C катализаторов в процессе гидрирования глюкозы Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы. Шестая кола молодых учёных: сборник тезисов докладов, 6 – 11 сентября 2022 г., Красноярск, С. 97-98 (год публикации - 2022)

7. Голубков В.А., Сычёв В.В., Зайцева Ю.Н., Наслузов В.А., Еремина А.О., Скрипников А.М., Таран О.П. Комплексные исследования структуры и свойств нанесённых Ru/C катализаторов селективного гидрирования глюкозы с использованием дифракционных и спектральных методов Сборник тезисов Школы молодых ученых по синхротронным методам исследования в материаловедении (2–3 ноября 2022 г., Новосибирск, Россия), С. 61-63 (год публикации - 2022)

8. Голубков В.А., Тарабанько Н.В., Таран О.П. Катализ гидролиза целлобиозы двойной активацией фталевой и соляной кислотами и его зависимость от температуры Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов2022», секция «Химия»., С. 252 (год публикации - 2022)

9. Ионин В.А., Боровкова В.С., Маляр Ю. Н., Таран О.П. Влияние деятельности полиграфа уссурийского на химический состав экстрактивных веществ коры пихты Тезисы докладов ХII Всероссийская научная конференция с международным участием и школа молодых ученых «Химия и технология растительных веществ г. Киров, 29 ноября – 02 декабря 2022 г., С. 73 (год публикации - 2022)

10. Сычёв В.В., Скрипников А.М., Троцкий Ю.А., Зайцева Ю.Н., Еремина А.О., Таран О.П. Комплексные исследования структуры и свойств катализаторов Zr-SBA-15 гидролиза полисахаридов с использованием дифракционных и спектральных методов Сборник тезисов Школы молодых ученых по синхротронным методам исследования в материаловедении (2–3 ноября 2022 г., Новосибирск, Россия), С 110-112 (год публикации - 2022)

11. Таран О.П. Каталитические процессы получения ценных химических продуктов из растительных полимеров Тезисы докладов ХII Всероссийская научная конференция с международным участием и школа молодых ученых «Химия и технология растительных веществ г. Киров, 29 ноября – 02 декабря 2022 г., С. 14 (год публикации - 2022)

12. Таран О.П., Громов Н.В., Пармон В.Н. Бифункциональные катализаторы для получения ценных химических продуктов из растительных полимеров. «Современная химическая физика» XXXIV Симпозиум, г.Туапсе, 24 сентября 2022, с. 140 (год публикации - 2022)

13. Троцкий Ю.А., Скрипников А.М., Сычев В.В., Зайцева Ю.Н., Еремина А.О, Таран О.П. Гидролиз арабиногалактана в присутствии катализаторов Zr-SBA-15 Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы. Шестая кола молодых учёных: сборник тезисов докладов, 6 – 11 сентября 2022 г., Красноярск, С. 102 (год публикации - 2022)

14. Троцкий Ю.А., Скрипников А.М., Сычев В.В., Зайцева Ю.Н., Еремина Ю.Н., Таран О.П. Гидролиз арабиногалактана в присутствии катализаторов ZrО2/SBA-15 Тезисы докладов ХII Всероссийская научная конференция с международным участием и школа молодых ученых «Химия и технология растительных веществ г. Киров, 29 ноября – 02 декабря 2022 г., С. 201 (год публикации - 2022)


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На этапе 2023 г разрабатывались кислотные Al-содержащие катализаторы на основе мезопористого мезоструктурированного силиката SBA-15, в том числе допированные одновремено Al и Zr. Разработана методика синтеза и получена серия носителей, содержащих Ca в качестве каталитических центров ретроальдольного расщепления сахаров. Наработана партия носителей, различающихся содержанием допирующих металлов. Показана воспроизводимость синтеза катализаторов. На основе новых разработанных носителей получена линейка полифункциональных нанесённых Ru катализаторов (0,5; 1; 2 масс. % Ru), перспективных для одностадийных процессов гидролиза и гидрирования растительных полисахаридов. Носители и катализаторы исследованы комплексом физико-химических методов: порошковая рентгеновская дифракция, низкотемпературная адсорбция азота, ИК-спектроскопия с молекулами-зондами, сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, рентгенофлуоресцентный спектральный анализ. Методом квантовомеханического моделирования проведено исследование систем, содержащих частицы Ru7 и Ru26, закрепленные на поверхности силиката, модифицированного атомами Al, Zr, Ca. Последний кластер моделирует интерфейс с наночастицы Ru81. По сравнению с простым силикатом на подложке с атомами Al и Zr, замещающими атомы Si, связывание увеличивается на 1.9-2.6 эВ, на подложке с некаркасными ионами Са - на 2.7 (Ru7) и 5.1 (Ru26) эВ, а при дальнейшем допировании атомами Zr - на 3.1 (Ru7) и 6.6 эВ (Ru26). Форма Ru7 существенно зависит от взаимодействия с подложкой: на ...Ca2 и ...Zr2Ca2 кластер имеет форму четырехугольной пирамиды с двумя дополнительными атомами в мостиковых позициях на гранях, на ...Al2 и ...Zr2Al2 - форму куба без вершины. Для ...Zr2Al2Ru7H4 наблюдается образование молекулы H2, связанной с одним из атомом Ru. Взаимодействие RunHx с подложкой с ионами Ca, Al и Zr приводит к уменьшению энергии адсорбции Н2О по сравнению с таковым на силикате примерно с 1.1 до 0.7-1.0 эВ. Установлены зависимости свойств получаемых катализаторов (фактическое содержание Al, Zr, Ca, текстурные и структурные характеристики, текстурные свойства поверхности) от условий синтеза, в том числе от загрузки прокуроров, рН раствора. Изотермы адсорбции носителей в соответствии с классификацией ИЮПАК характеризуются IV типом, сохраняется узкое распределение пор по размерам для всех носителей. Добавление Al в процессе синтеза практически не меняет форму изотермы и не смещает петлю гистерезиса. Образцы, содержащие Al имеют удельную поверхность 700-800 м2/г и удельный объем пор 0,47-0,67 м3/г. Образцы, содержащие Al и Zr имеют несколько меньшие значения удельной поверхности 662-714 м2/г и удельный объем пор 0,54-0,68 м3/г. Введение Ca приводит к снижению удельной поверхности в 2-2,5 раза ~ 260 м2/г, объема пор в 1,5 раза ~ 0,4 м3/г, микропоры практически исчезают. Нанесение Ru незначительно снижает значения удельной площади и объема пор. Изотермы и кривые распределение пор по размерам катализаторов с нанесенным Ru практически совпадают с изотермами и кривыми распределения пор соответствующих носителей. Данные рентгеновской дифракции показали, что все носители обладают 3 основными пиками, характерными для гексагональной структуры SBA-15. Для образцов, содержащих алюминий и полученных соконденсацией в среде соляной кислоты, на рентгенограммах наблюдается дополнительный рефлекс, лежащий между рефлексами (100) и (111). Интенсивность рефлекса коррелирует с содержанием алюминия в исходном геле. Параметры ячейки для носителей xAl-yZr-SBA-15 лежат в интервале 104-105 Å, превышающих значения для xAl-SBA-15 (101-102 Å), но меньше значений для SBA-15 (109 Å). Введение кальция приводит к сжатию структуры. Параметр решетки – 98 Å. Катализаторы с нанесенным рутением имеют четко выраженную гексагональную структуру. Рентгенограммы катализаторов практически совпадают с рентгенограммами соответствующих носителей. Исследование кислотных свойств методом измерения pHтнз и ИКС показало, что допирование Al позволяет внести новые кислотные центры. Однако эффективность такого допирования ниже, чем при допировании Zr. Одновременно внедрение Al и Zr в SBA-15 позволяет улучшить кислотные свойства катализаторов и превзойти ранее разработанный образец 5Zr-SBA-15. Образец 2.5Al-5Zr-SBA-15 имеет наибольшее количество сильных кислотных центров и большую интегральную кислотность, что делает его перспективным катализатором. Электронномикроскопические исследования показали, что морфология частиц SBA-15 значительно зависит от используемого допанта (Al, Zr и Ca). Частицы допированного алюминием SBA-15 представляют собой изогнутые короткие волокна, объединенные в агломераты. При одновременном введении Al и Zr в структуру силиката индивидуальные частицы в составе кластеров приобретают вид пластин. Модификация Са приводит к образованию более мелких и округлых частиц. На микрофотографиях образцов, содержащих нанесённый Ru, отдельных частиц рутения не обнаружено, что свидетельствует о равномерном заполнении пор материала. Согласно результатам РФЭС рутений в катализаторах присутствует сразу в 3 электронный состояниях: металлический Ru, Ru4+ в RuO2, Ru6+ в RuO3. Содержание металлического рутения больше, чем его оксидов. Исследовано влияние модификации SBA-15 атомами Al, Zr, Ca на каталитические свойства в процессе гидролиза арабиногалактана лиственницы сибирской. Обнаружено, что введения Zr в количестве 5 масс.% является оптимальным для улучшения кислотных свойств и повышения активности катализатора. Введение только Al менее эффективно, однако катализатор 2,5Al-5Zr-SBA-15, который представляет собой силикат, допированный атомами Al и Zr, обладает наилучшими характеристиками и его использование позволяет превзойти ранее полученные результаты. Ca-содержащие образцы (например, 5Ca-5Al-5Zr-SBA-15) в гидролизе арабиногалактана проявили низкую активность. Установлено, что температура реакции гидролиза оказывает влияние, как на скорость образования конечных продуктов, так и на селективность процесса. При применении наиболее перспективных катализаторов и варьировании температуры (110-150°) удаётся получить из арабиногалактана арабинозу с выходом, близким к количественному – около 7 масс. %. Достигается высокий выход основного продукта – галактозы (более 50 масс. %). Путём повышения температуры до 150°С процесс может быть переориентирован на получение из арабиногалактана фурановых соединений – 5-гидроксиметилфурфурола и фурфурола. Максимальный достигнутый на данном этапе выход – 21 мас.% 5-ГМФ и ~4 масс.% фурфурола. Проведено систематическое исследование процесса гидролиза-гидрогенолиза арабиногалактана, целевыми продуктами являлись сахарные спирты (галактитол и арабитол) и С2-С3 полиолы (этиленгликоль, пропиленгликоль и глицерин). Катализатор, содержащий Ca (2Ru/5Ca-5Al-5Zr-SBA-15) оказался неактивным, что вероятно связано с сильно заторможенной стадией гидролиза. Иная ситуация с катализаторами на носителе 2,5Al-5Zr-SBA-15. При варьировании температуры удалось получить выход арабитола ~7 масс.%, что близко к количественному выходу, в случае катализаторов 0,5Ru/2,5Al-5Zr-SBA-15 и 1Ru/2,5Al-5Zr-SBA-15 при температуре 150°С и давлении H2 55 атм. Максимальный выход галактитола получен на катализаторе 0,5Ru/2,5Al-5Zr-SBA-15 с выходом 38 масс. %. Однако продукты не стабильны и претерпевают дальнейшие превращения в этиленгликоль, пропиленгликоль и глицерин. Разработанные катализаторы обладают высокой гидрирующей активностью, которая позволяет вести процесс гидролиза-гидрогенолиза при температуре 150°С, вместо характерных для данных реакций 180-250°С. Наиболее эффективным катализатором при 150°С оказался 0,5Ru/2,5Al-5Zr-SBA-15, с которым достигнуты максимальные выходы этиленгликоля (2,67 мас. %), глицерина (4,14 мас. %) и пропиленгликоля (19,03 мас. %). Отметим, что основным продуктом процесса является более ценный пропиленгликоль.

 

Публикации

1. Голубков, В.А. Зайцева, Ю.Н. Кирик, С.Д. Еремина, А.О. Сычев, В.В. Таран, О.П. Получение ксилитола из ксилозы на рутениевых катализаторах на основе допированного оксидом циркония силиката SBA-15 Химия растительного сырья, №4, С. 397-405 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.14258/jcprm.20230414105

2. Мирошникова А.В, Барышников С.В.,Маляр Ю.Н., Ли С.,Алексеева М.А., Кузнецов Б.Н., Таран О.П. Depolymerization of Pine Wood Organosolv lignin in Ethanol Medium over NiCu/SiO2 and NiCuMo/SiO2 Catalysts. Impact of Temperature and Catalyst Composition Polymers, - (год публикации - 2023)

3. Скрипников, А.М. Еремина, А.О. Новикова, С.А. Зайцева, Ю.Н. Сычев, В.В. Троцкий, Ю.А. Парфенов, В.А. Кирик, С.Д. Глазнева, Т.С. Таран, О.П. ZrO2-содержащие катализаторы на основе SBA‐15 для гидролиза арабиногалактана лиственницы сибирской. Влияние метода синтеза и содержания Zr. Журнал Сибирского федерального университета. Химия, Т. 16, №4, С. 631-642 (год публикации - 2023)

4. Голубков В.А., Зайцева Ю.Н., Сычев В.В., Кирик С.Д., Новикова С.А., Еремина А.О., Таран О.П. Рутениевые катализаторы на силикате SBA-15, модифицированном оксидами циркония и ниобия, для процесса гидрирования ксилозы Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы. Седьмая школа молодых учёных [Электронный ресурс]: сборник тезисов (2 – 6 октября, 2023 г., Красноярск, Россия), С. 70-71 (год публикации - 2023)

5. ГОЛУБКОВ В.А., СЫЧЕВ В.В., ЗАЙЦЕВА Ю.Н., НАСЛУЗОВ В.А., ЕРЕМИНА А.О., ТАРАН О.П. ОКИСЛЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ НАСТРОЙКИ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НАНЕСЁННЫХ НАНОЧАСТИЦ РУТЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ГИДРИРОВАНИЯ ГЛЮКОЗЫ Углехимия и экология Кузбасса: XII Международный российско-казахстанский симпозиум, Кемерово, 3-6 июля 2023 г.: Сборник тезисов докладов, С. 29 (год публикации - 2023)

6. Голубков В.А., Таран О.П. Synergistic effect of general and specific acid catalysis in the cellobiose hydrolysis 9th Asia-Pacific Congress on Catalysis : Abstract book, С. 198 (год публикации - 2023)

7. Новикова С.А., Еремина А.О., Зайцева Ю.Н., Парфенов В.А., Кирик С.Д., Таран О.П. THE IMPACT OF ZIRCONIUM OXIDE ON THE SBA-15 PROPERTIES Сборник тезисов докладов Седьмой международной конференции стран СНГ «Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем «Золь-гель 2023», Москва, 2023, С.55 (год публикации - 2023)

8. Сычёв В.В. Восстановительное каталитическое фракционирование древесины ели в присутствии бифункционального катализатора Ru/C в среде этанола и водорода Междисциплинарная конференция молодых учёных ФИЦ КНЦ СО РАН (КМУ-XXIV): тезисы докладов, С,50 (год публикации - 2023)

9. Сычев В.В., Мирошникова А.В., Казаченко А.С., Таран О.П., Тарабанько В.Е. Наноразмерные Ru/C катализаторы для процессов переработки компонентов растительной биомассы в ценные химические продукты Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы. Седьмая школа молодых учёных [Электронный ресурс]: сборник тезисов (2 – 6 октября, 2023 г., Красноярск, Россия), С 86-87 (год публикации - 2023)

10. Таран О.П. Bifunctional catalysts for the production of valuable chemicals from plant polysaccharides and lignin 9th Asia-Pacific Congress on Catalysis : Abstract book, С. 61 (год публикации - 2023)

11. Таран О.П. АРОМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ИЗ РАСТЕНИЙ. ЛИГНИН ИЛИ ЦЕЛЛЮЛОЗА? Химия под знаком СИГМА: исследования, инновации, технологии. VII Всероссийская научная молодёжная школа-конференция [Электронный ресурс] : сборник тезисов докладов, С.23-24 (год публикации - 2023)

12. Таран О.П. ПЕРЕРАБОТКА ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ БИОМАССЫ И ЛИГНИНОВ В СУБ- И СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ СПИРТАХ XII Научно-практическая конференция с международным участием «Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации»: ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ, С. 27-30 (год публикации - 2023)

13. Троцкий Ю.А., Скрипников А.М., Сычев В.В., Таран О.П. Твердые кислотные ZrO2-SBA-15 катализаторы гидролиза арабиногалактана Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы. Седьмая школа молодых учёных [Электронный ресурс]: сборник тезисов (2 – 6 октября, 2023 г., Красноярск, Россия), С.96-97 (год публикации - 2023)