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 проекта 26-23-20015
НазваниеБиметаллические Ag-Cu катализаторы, нанесённые на диоксид титана, для процесса окисления монооксида углерода
Руководитель Юрпалова Дарья Владимировна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" , Омская обл
Конкурс №120 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ
Ключевые слова окисление монооксида углерода, гетерогенный катализ, диоксид титана, биметаллические катализаторы, модифицирование, медь, серебро, парамагнитные центры, спектроскопия ЭПР, органические молекулы-зонды
Код ГРНТИ31.15.28
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Загрязнение атмосферного воздуха является глобальным вызовом для человечества и злободневной проблемой города Омска. Монооксид углерода, или угарный газ (СО), выступает одним из ключевых токсикантов, представляя серьезную опасность для здоровья человека. СО связывается с гемоглобином, нарушая способность крови переносить кислород, приводя к тяжёлым отравлениям и зачастую летальному эффекту. Доля автомобильных выбросов в общем объёме загрязняющих веществ Омска составляет от 35% до 50%. В 2022 году для Омска они составили 36,7 тыс. тонн, из них 25,7 тыс. тонн пришлось на монооксид углерода. Это привело к превышению ПДК (предельно допустимая концентрация) по CO в 4,9 раз. Снижение уровня загрязнения воздуха является приоритетом Стратегии национальной безопасности Российской Федерации, в связи с чем очистка воздуха от СО является актуальной задачей.
Эффективным методом удаления СО является процесс каталитического окисления. Как правило, низкотемпературные катализаторы имеют в составе дорогостоящие благородные металлы (Pt, Pd, Au и др.). Помимо высокой стоимости, такие системы характеризуются сравнительно невысокой стабильностью. Другие известные катализаторы глубокого окисления на основе оксидов переходных металлов существенно уступают по активности благородным металлам и не способны эффективно окислять СО при низких температурах. Таким образом, разработка новых доступных и стабильных катализаторов для низкотемпературного окисления СО, а также исследование механизма их каталитического действия, является важной научной задачей.
Проект направлен на разработку и исследование новых биметаллических Ag-Cu катализаторов, нанесённых на диоксид титана. Медь и серебро, в отличие от металлов платиновой группы, имеют более низкую стоимость; оба компонента по отдельности способны проявлять собственную активность в реакциях окисления, а их совместное присутствие в форме биметаллических систем может привести к синергическому эффекту, повышая активность и стабильность катализатора. Носителем для катализаторов будет служить диоксид титана (TiO2) в форме фазы анатаза тетрагональной структуры, который проявляет собственную активность в процессах окисления. Дефекты поверхности TiO2 могут служить центрами стабилизации наночастиц металлов, что будет обеспечивать высокую дисперсность активного компонента и, как следствие, высокую активность и стабильность. Между носителем и наночастицами металлов также возможно пограничное окислительно-восстановительное взаимодействие, что будет использовано для регулирования электронного состояния нанесенных частиц. Научная цель проекта заключается в исследовании закономерностей формирования активного компонента Ag-Cu/TiO2 катализаторов в зависимости от условий синтеза. Предполагается подробное изучение взаимодействия меди с серебром и носителя с нанесенным активным компонентом, установление корреляций между структурой, состоянием активного компонента и каталитическими свойствами образцов в реакции низкотемпературного окисления СО. Особое внимание будет уделено исследованию активных форм кислорода с применением метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), в том числе, с использованием молекул-зондов и спиновых ловушек. Это позволит детектировать электроноакцепторные центры поверхности катализаторов, находить корреляции с каталитической активностью образцов и выявить природу активных центров окисления СО на поверхности Ag-Cu/TiO2 систем.
Биметаллические Ag-Cu катализаторы являются перспективными, но малоизученными в реакции окисления СО – о чём свидетельствует отсутствие систематических исследований подобных систем в данной реакции. Предполагается, что полученные системы будут обладать высокой активностью, термической стабильностью, высокой кислородной емкостью и подвижностью кислорода. Эффективность и отсутствие дорогостоящих компонентов обеспечат перспективу применения данных экологических катализаторов для очистки воздуха от выбросов двигателей внутреннего сгорания.
Ожидаемые результаты
- Будут разработаны подходы к синтезу новых биметаллических Ag-Cu/TiO2 катализаторов для процесса низкотемпературного окисления монооксида углерода. Катализаторы не будут содержать дорогостоящих металлов платиновой группы, но будут проявлять высокую активность за счет применения более доступных, но активных металлов Cu и Ag, и носителя TiO2, проявляющего собственную активность в процессах окисления.
- Будет изучено влияние содержания меди и серебра, а также соотношения металлов в нанесённых на диоксид титана Ag-Cu катализаторах на структуру образующихся частиц, их фазовый состав, электронное состояние и каталитические свойства в реакции низкотемпературного окисления СО с целью выявления синергического эффекта при одновременном присутствии меди и серебра в составе активных частиц. Будут исследованы особенности формирования биметаллических Cu-Ag частиц и особенности их взаимодействия с носителем.
- Будет исследовано влияние предобработок Cu/TiO2, Ag/TiO2 и Ag-Cu/TiO2 катализаторов в восстановительной и окислительной газовых средах на структуру активных центров, состояние катионов металлов, их локальное окружение, дисперсность, а также взаимодействие на границе металл-носитель. Будет показано, как перечисленные характеристики образцов влияют на каталитическую активность в реакции окисления СО. Планируется установить роль температуры, газовой фазы и последовательности различных предварительных обработок на способность катализаторов к активации кислорода.
- Будет установлено, как последовательность введения предшественников меди и серебра в Ag-Cu/TiO2 влияет на взаимодействие компонентов катализатора друг с другом, на способность системы к активации кислорода и на каталитические свойства образцов в реакции окисления СО.
- С применением метода спектроскопии ЭПР будут установлены закономерности образования парамагнитных центров (состояние ионов Cu, дефекты, кислородные вакансии и т.д.) в образцах Cu/TiO2, Ag/TiO2 и Ag-Cu/TiO2 в процессе синтеза, и их влияние на каталитические свойства. Также метод ЭПР будет применён для исследования парамагнитных форм кислорода, образующихся в катализаторах на стадиях активации и в процессе взаимодействия с реакционной средой, включающей СО и О2 (эксперименты в режиме ex situ). Наряду с прямой регистрацией парамагнитных центров методом ЭПР планируется проведение экспериментов с применением молекул-зондов и спиновых ловушек. На основании проведённых экспериментов будет установлена взаимосвязь между содержанием активных форм кислорода на поверхности исследуемых катализаторов и каталитической активностью образцов в реакции окисления СО.
- С целью оценки стабильности каталитических свойств для наиболее активных образцов планируется провести длительные каталитические испытания в процессе окисления СО.
По итогу выполнения проекта будет получена целостная картина о роли каждого компонента многокомпонентного катализатора Ag-Cu/TiO2 в достижении каталитической активности в процессе низкотемпературного окисления СО. Будет установлена роль межфазных взаимодействий на границе активный компонент/носитель, взаимодействий металл-металл, а также предшественников активных форм кислорода на каталитические характеристики Ag-Cu/TiO2 образцов. Также будет получена ценная информация о влиянии состава катализатора на способность системы к активации кислорода, о природе активных О-содержащих частиц и их влиянии на каталитическую активность.
Научная значимость проекта будет определяться установлением закономерностей каталитического действия новых биметаллических катализаторов Ag-Cu, нанесённых на диоксид титана, в процессе низкотемпературного окисления СО, а также в понимании механизма работы многокомпонентного Ag-Cu/TiO2 катализатора и природы возможного синергического эффекта биметаллических активных центров.
Полученные в ходе проекта данные могут стать основой для разработки технологии синтеза новых эффективных катализаторов низкотемпературного окисления СО, не содержащих дорогостоящих компонентов. Данные катализаторы могут стать перспективной альтернативой известным катализаторам на основе металлов платиновой группы, используемых для очистки воздуха от выбросов двигателей внутреннего сгорания.
По теме проекта планируется опубликовать не менее 3 статей в журналах, индексируемых международными базами данных Scopus и Web of Science и входящих в "Белый список" журналов.