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 22-19-20068

НазваниеСинтез и исследование моно- и биметаллических нанокристаллитов с неклассическим габитусом в каталитических и масстранспортных водородных процессах

РуководительБарышев Михаил Геннадьевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет", Краснодарский край

КонкурсКонкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основная цель проекта заключается в разработке и совершенствовании методов синтеза наночастиц строго определенной морфологии с определенными формами, гранями и составами, выявлении фундаментальных закономерностей, отражающих аспекты роста, формирования и эволюции пентадвойникованных монометаллических Pd нанокристаллитов и биметаллических Pd-Ag и Pd-Pt нанокристаллитов. Такая задача вызвана необходимостью в разработке современных наноматериалов, находящихся за пределами изучения наночастиц, для которых хорошо известен синтез, к составам и морфологиям, синтез которых является весьма сложной задачей. Для этого в проекте будет предложен ряд инновационных подходов к разработке синтетических материалов и их использованию в водородной энергетике. Возможность достижения этой цели в своей основе базируется на уже имеющемся инновационном заделе и открытии пятикратной симметрии (пентадвойникования) в нанокристаллитах палладий-серебра, сделанном авторами работы и представленном впервые на одной из ведущих конференций в мире по катализу в мембранных реакторах– «14th International Conference on Catalysis in Membrane Reactors», г. Эйндховен, Нидерланды. Данное открытие заключается в обнаружении способности биметаллических палладий-серебряных нанокристаллитов к многократному двойникованию, и проявлению в этих условиях аномально высоких каталитических и газотранспортных характеристик. В связи с этим возникает необходимость в дополнении существующих фундаментальных представлений и их совершенствовании. Поэтому настоящая работа будет посвящена развитию и более углубленному изучению сущности физико-химических процессов и практического использования наночастиц с неклассическим габитусом в различных приложениях. Особое внимание будет уделено исследованию закономерностей влияния состава, структуры, формы и размеров разработанных нанокристаллитов на реакционную способность в процессах окисления метанола / этанола и процессах диффузионного транспорта водорода через палладийсодержащие мембраны. Масштаб поставленной задачи и комплексность в рамках развивающейся области нанотехнологий являются достаточно большими, а сама задача крайне важной, поскольку она представляет интерес как для понимания фундаментальных закономерностей, отражающих аспекты формирования пентадвойникованных моно- и биметаллических наночастиц, так и с практической точки зрения для оценки влияния их морфологии и структуры на реакционную способность, а также их использования в областях катализа, водородной энергетики, преобразования энергии и др.

Ожидаемые результаты
Для решения обозначенных проблем будет разработан электрохимический метод синтеза, позволяющий преодолеть или обойти недостатки, связанные с легированием разнородных, но выгодных комбинаций металлов, для получения однородных структур с различными морфологиями. Будут описаны различные подходы к добавлению вторичного металла, включая гальванический обмен, прямое восстановление и осаждение при пониженном потенциале, с помощью электрохимического метода. Предлагаемый электрохимический подход к синтезу металлических наночастиц с определенной формой, позволит перевести существующие коллоидные подходы из раствора на рост на электродах. Такой подход обеспечит рациональную методологию для оптимизации синтеза новых коллоидных наночастиц с использованием измерений профилей потенциала в условиях протекающей реакции. Из-за высокой степени соответствия между восстанавливающими средами, создаваемыми малым постоянным током и обычными химическими восстановителями, этот интегрированный подход сможет быть использован ретроспективно для получения сложного механистического понимания существующих методов синтеза наночастиц, а также для создания условий синтеза для получения наночастиц с недостижимой в настоящее время архитектурой. Поскольку палладий является металлом с особенно хорошими свойствами как в коллоидных, так и в электрохимических методах, в первую очередь планируется провести исследования на монометаллических наночастицах палладия. На основе этого будет получена новая информация, отчасти из-за расширенной степени гибкости электрохимического метода синтеза, по исследованию влияния изменений условий рабочего раствора в электрохимической среде: влияние изменения pH раствора – как основного способа настройки скорости восстановления при синтезе металлических наночастиц и концентрации поверхностно-активного вещества, которое приводит к усилению конкурирующих поверхностных взаимодействий между галогенидами, поверхностно-активными веществами и восстановителями, что замедляет или ускоряет рост частиц. Также будет определена зависимость избирательного роста граней и гофрирования нанокристаллитов от настройки соотношения галогенид ионов в рабочем растворе: определено оптимальное отношение хлорида к бромиду в рабочем растворе которое играет большую роль в окончательном образовании гофрированных наночастиц Pd. Далее этот подход будет использован и спроецирован для синтеза биметаллических частиц с четко определенной формой (пентагональной и др.) и разбавленными биметаллическими поверхностями, которые соединяют определенные металлы для чеканки, такие как серебро или золото, с определенными каталитически соответствующими металлами платиновой группы, такими как палладий. Далее будет проведено сравнительное исследование разработанных пентадвойникованных наночастиц Pd, Pd-Ag и Pd-Pt в качестве катализаторов в процессах щелочного электроокисления метанола. Реакционная способность металлической поверхности таких наночастиц будет контролироваться, не только составом, но и расположением атомов на поверхности, которое в значительной степени определяется гранями поверхности наночастицы. Для реакций, чувствительных к поверхности, это позволит контролировать характеристики катализатора поскольку расположение атомов на поверхности наночастиц катализатора влияет на силу связывания и / или ориентацию связывания ключевых промежуточных продуктов реакции, особенно в отношении селективности. Такой подход обеспечит контроль над морфологией частиц, и ориентацией граней по отношению к поверхности в результате чего будет получен важный инструмент для изменения активности и селективности катализатора. В завершении будут исследованы диффузионные и селективные свойства разработанных наночастиц с неклассическим габитусом в мембранных водородных процессах массопереноса в качестве поверхностного модифицирующего слоя. Ожидается, что это позволит значительно ускорить диссоциативно-ассоциативные процессы на границах, за счет высокой активности таких частиц в реакциях с участием водорода, что приведет к значительному росту водородопроницаемости мембранных материалов на основе палладия. В целом, заявленная работа проложит путь через сложную и часто обескураживающую задачу перехода от разработки отдельных методов синтеза наночастиц к сознательному проектированию, основанному на фундаментальных принципах, которое необходимо для соответствия возрастающим потребностям развития новых технологий водородной энергетики. В концепции регионального развития данное исследование, направленное на разработку новых технологии, будет проводиться в первую очередь с учетом пригодности для масштабирования и внедрения на предприятиях химического и нефтехимического кластера Краснодарского края. Для предприятий это позволит получить существенную экономическую выгоду за счет значительного улучшения энергоэффективности процессов, а также повысить октановое число бензиновых фракций и получить индивидуальные арены, являющиеся ценным сырьем для нефтехимического синтеза. Для природы, жителей и гостей Краснодарского края это позволит значительно снизить уровень выбросов и загрязняющих отходов и значительно улучшить экологическую обстановку в житнице и здравнице России – Кубани.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ