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 19-73-30026

НазваниеНовые катализаторы и каталитические процессы для решения задач экологически чистой и ресурсосберегающей энергетики, в том числе процессы переработки биовозобновляемого сырья и процессы обезвреживания выбросов химических производств и энергетики

РуководительВодянкина Ольга Владимировна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (33)

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Создание новых высокоэффективных катализаторов и каталитических технологий на их основе в области экологически чистой ресурсосберегающей энергетики лежит в основе развития технологического базиса Российской Федерации. Глубокая переработка природного газа и углеводородов в ценные продукты, вовлечение в энергетику биовозобновляемых ресурсов для получения водорода, водородсодержащих смесей (синтез-газ), а также квалифицированная переработка такого сырья с получением ценных продуктов являются актуальными задачами современной наукоемкой промышленности. Импортозамещение в области технологий приготовления катализаторов нового поколения, превосходящих существующие мировые аналоги, для глубокой переработки природного газа и углеводородов, с вовлечением биовозобновляемых ресурсов, позволит вывести важнейшую отрасль химической промышленности на новый уровень. Научная новизна предлагаемых в проекте решений связана с применением принципиально новых многокомпонентных каталитических композиций, обладающих дополнительными возможностями за счет специфического взаимодействия между компонентами, организации заданной пористой структуры и распределения активных центров, что обеспечивает высокую эффективность разрабатываемых катализаторов в требуемом направлении превращений. Направление 1: основной задачей разрабатываемых катализаторов для углекислотной конверсии метана является повышение конверсии метана и СО2 в синтез-газ (смесь Н2 и СО) с высокой селективностью путем модифицирования добавками РЗЭ лучших катализаторов на основе Ni/La2O3-CeO2, разработанных при выполнении проекта в 2019-2022 гг.; оптимизация составов Ni-Cu нанесенных катализаторов позволит повысить выход водорода в паровой конверсии этанола. Направление 2: работы направлены на определение способов управления взаимодействием «металл-носитель» в нанесенных/гибридных катализаторах и/или «металл-металл» в биметаллических системах для создания высокоэффективных катализаторов процессов каскадного жидкофазного окислительного превращения молекул-платформ (гидроксиметилфурфураля, многоатомных спиртов) в ценные би-карбоксильные соединения, применяемых в том числе в качестве основы для биоразлагаемых полимеров; Направление 3: основная задача состоит в увеличении эффективности наиболее перспективных фотокатализатров: композиций на основе высокодефектного «темного» диоксида титана за счет создания гетероструктур II типа (z- и s-схем) при введении добавок п/п p-типа (Cu2O); барьера Шоттки и систем, обладающих поверхностным плазмонным резонансом (ППР) при добавке НЧ Pt, Ag, Au; сложных оксидов и композитов на основе висмута с добавками Mo, V в процессах выделения водорода при фоторазложении водных растворов жертвенных агентов (многоатомные спирты) и фотосинтеза ценных карбонильных/карбоксильных органических соединений из продуктов переработки биомассы (ГМФ); Направление 4: работы будут направлены совершенствование состава ранее разработанных перспективных биметаллических каталитических композиций на основе Cu-Ce, Cu-Fe, Pd/Cu-модифицированных оксидномарганцевых материалов со структурой OMS-2 для достижения глубокой очистки газовых выбросов от примесей NO и органических соединений. Растущие потребности общества в энергии, а также необходимость рационального использования природных ресурсов вызывает глубокую заинтересованность исследователей в разработке технологий экологически чистой и ресурсосберегающей энергетики, в том числе на основе процессов переработки биовозобновляемого сырья и процессов обезвреживания выбросов химических производств и энергетики. Современные вызовы в области развития технологий выводят на первый план развитие связки технологических решений, что требует совсем иного подхода, в том числе в реализации фундаментальных исследований. Дизайн активной поверхности катализаторов с заданным распределением активных центров с требуемой функциональностью является одной из фундаментальных задач гетерогенного катализа.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения работ планируется получить следующие наиболее важные результаты: Направление 1 1) будут определены каталитические свойства Ni-содержащих катализаторов, нанесенных на носители La2O3-CeO2-ZrO2 и La2O3-CeO2-ZrO2-M (M=Yили Pr) в процессе углекислотной конверсии метана с оценкой количества и природы углеродсодержащих продуктов после проведения тестов на стабильность в УКМ; 2) будет проведен анализ и обобщение полученных данных по выявлению взаимосвязей между составом, структурой полученных материалов, природой предшественников активного компонента, их распределением на поверхности носителя и каталитическими свойствами; 3) будут выявлены основные закономерности формирования морфологии и структуры носителей и катализаторов; сформулированы рекомендации по практическому применению изученных процессов как в области приготовления никельсодержащих каталитических систем на основе сложных тройных оксидных носителей, так и в области их применения для процессов получения синтез-газа из природного газа. Направление 2 1) будут разработаны оригинальные методики приготовления катализаторов для процессов селективного окисления гидроксиметилфурфураля, окислительной конверсии глицерина и пропиленгликоля, 2) будут разработаны корреляции по влиянию природы носителя, состава биметаллических наночастиц в каталитической композиции и их свойствами в каскадных окислительных превращениях многоатомных спиртов; 2) будут получены кинетические данные для окисления многоатомных спиртов на гибридных катализаторах; получены результаты по стабильности и возможности повторного использования гибридных катализатором на основе модифицированных МОПК в окислении многоатомных спиртов; 3) будут получены экспериментальные данные и сделаны выводы о взаимосвязях между скоростью реакции превращения спирта, селективностью и физико-химическими свойствами катализаторов на основе биметаллических наночастиц благородных металлов и гибридных/сложных оксидных носителей; 4) найдены оптимальные условия и разработаны практические рекомендации. В целом, будут разработаны научные подходы к конструированию активных, селективных и стабильных каталитических материалов для окислительных превращений субстратов – многоатомных спиртов и фурановых соединений, – получаемых при переработке биомассы, в ценные органические соединения. Направление 3 1) Будут разработаны и оптимизированы составы фотокаталитических композиций для процессов фотокаталитического получения водорода и селективного фотокаталитического окисления гидроксиметилфурфураля в ценные продукты в мягких условиях, будут оптимизированы оригинальные методики приготовления фотокатализаторов; 2) для всех систем будут определены основные параметры фотокаталитических систем: размеры частиц, фазовый состав и его изменение при термообработке, удельная площадь поверхности, получены спектры поглощения, определена ширина запрещенной зоны в зависимости от условий приготовления и постобработки; 3) будут проведены фотокаталитические исследования по активности и стабильности, определены основные взаимосвязи между составом, структурой и фотокаталитическими свойствами, будут предложены схемы переноса носителей заряда, предложены механизмы фотокаталитических реакций. Направление 4 1) будут получены данные по стабильности наиболее перспективных биметаллических катализаторов (без добавления благородного металла или с пониженным его содержанием), нанесенных на модифицированный MnO2 со структурой криптомелана, в процессе селективного восстановления оксидов азота CO-SCR в условиях, приближенных к реальным, с добавками паров воды и SO2 в реакционную смесь; 2) будут получены результаты тестирования каталитических свойств наиболее перспективных композиций в процессе CO-SCR c добавкой 2%об этанола и при варьировании содержания О2 в реакционной смеси; 3) будут проанализированы результаты исследований отработанных образцов катализаторов по изменениям состояния поверхности (ТПВ-Н2 и ТПВ-СО), химического состава поверхности (РФЭС), фазового состава (РФА, КР спектроскопии), морфологии и структуры методом ПЭМ ВР для определения факторов, обеспечивающих стабильность работы катализаторов в агрессивных реакционных средах. В целом, полученные результаты позволят определить основные параметры, определяющие каталитические свойства медьсодержащих модифицированных систем, приготовленных на основе MnO2 со структурой криптомелана, в реакции селективного восстановления NO в присутствии СО в условиях, приближенных к реальным. Заявленные в проекте исследования обладают высокой степенью новизны, связанной с оригинальными составами каталитических композиций, уникальными методиками приготовления, сочетающими традиционные и инновационные подходы, поэтому будут получены результаты на уровне ведущих мировых научных школ Европы, США и России. Все полученные данные будут опубликованы в виде статей в профильных журналах по катализу и каталитическому материаловедению, индексируемых в системах цитирования Scopus, Web of Science, и RSCI, а также обобщены в обзорах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ