Разработка катализаторов превращения СО2 в ценные химические соединения

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 20-73-10106

НазваниеРазработка катализаторов превращения СО2 в ценные химические соединения

Руководитель Кустов Александр Леонидович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова Гетерогенные катализаторы, оксиды металлов, гидрирование, метанол, углеводороды, диоксид углерода, утилизация CО2, сверхкритические флюиды

Код ГРНТИ31.15.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Для решения проблемы накопления углекислого газа в атмосфере требуется создание экономичных, экологичных и технологичных методов его утилизации. Основной трудностью при химической переработке СО2 является крайне высокая инертность молекулы этого газа, из-за чего требуется использование катализаторов, способных активировать эту молекулу в реакции. Одним из наиболее перспективных способов утилизации СО2 является его каталитическая переработка в ценные продукты, в частности наибольший интерес представляет прямое гидрирование СО2 на гетерогенных катализаторах для получения метанола и углеводородов. Как правило, для этого процесса используются гетерогенные катализаторы на основе драгоценных металлов, что повышает себестоимость конечных продуктов и снижает конкурентоспособность метода. Значительно изменит ситуацию замена катализаторов на основе благородных металлов более дешевыми катализаторами на основе переходных металлов, таких как Fe, Cu, Zn, и некоторых других. Наибольший интерес представляют железосодержащие катализаторы, обладающие низкой стоимостью и достаточно высокой активностью в реакции активации СО2. Однако сами по себе железосодержащие катализаторы в данной реакции имеют и ряд проблем - преимущественное образование СО и/или СН4 из СО2 и дезактивация катализаторов в ходе реакции. Для решения вышеуказанных проблем, в данном проекте планируется использовать новые эффективные гетерогенные нанокатализаторы на основе переходных металлов (Fe, Cu, Zn), как нанесенных на различные подложки, так и полученных методом внедрения на этапе синтеза, а также модифицированных добавками щелочных и щелочноземельных металлов (K, Na, Ca, Mg), для проведения прямой конверсии СО2 в ценные химические продукты. При этом будут подобраны наиболее благоприятные условия проведения реакции. Будут разработаны новые методики синтеза гибридных микро-мезопористых наносистем в качестве носителей на основе оксидов кремния, алюминия, церия и циркония. На основе синтезированных и коммерческих носителей будут приготовлены моно- и биметаллические каталитические системы, содержащие переходные металлы в качестве активного компонента. Будет установлено влияние природы подложки, концентрации активного металла и способа его введения на выход метанола и углеводородов, а также на конверсию углекислого газа. В ходе работы нами будут разработаны оригинальные каталитические системы для гидрирования СО2 на основе синтезированных носителей. С целью установления взаимосвязи между свойствами активных центров катализаторов и выходом целевых продуктов, все катализаторы будут исследованы рядом физико-химических методов анализа до и после проведения реакции, в том числе методами электронной микроскопии (SEM, TEM, EDS-SEM), высокоинформативными спектральными методами (UV-ВИД диффузного отражения, РФА, DRIFTS), адсорбционными методами, TПВ/TПД и DTA/TG. Будут усовершенствованы технологии и условия проведения реакции гидрирования СО2, что будет способствовать увеличению реакционной способности и селективности по отношению к метанолу и углеводородам. В случае проведения реакции в газовой фазе производительность ограничена низкой концентрацией компонентов в реакционной среде, а в случае проведения процесса в жидких растворителях ограничения производительности вызваны медленной диффузией реагентов к активным центрам, диффузией продуктов от этих центров. Существенно изменить ситуацию может проведение процесса в сверхкритических условиях по СО2. В этих условиях СО2 является сверхкритическим флюидом – безопасным и экологичным растворителем. Сверхкритический СО2 может растворять в больших количествах неполярные вещества, такие как водород. Как было показано в наших работах ранее, переход в сверхкритическое состояние в данной реакции приводит к изменению селективности в сторону образования легких углеводородов и спиртов. Кроме этого, проведение указанного процесса в сверхкритическом СО2 позволит значительно увеличить производительность процесса за счет увеличения плотности реакционной среды и увеличить срок эксплуатации катализатора без регенерации за счет предотвращения зауглероживания поверхности катализатора из-за удаления продуктов уплотнения с поверхности катализатора сверхкритической фазой. Совместное использование дешевого высокоактивного оптимального катализатора на основе переходных металлов и сверхкритических условий позволит создать выгодный конкурентоспособный процесс утилизации СО2 и получения ценных химических продуктов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кустов Л.М., Тарасов А.Л., Ниссенбаум В.Д., Кустов А.Л. Dry reforming of lignin: the effect of impregnation with iron Mendeleev Communications, v. 31, issue 3, p. 376-378 (год публикации - 2021)
10.1016/j.mencom.2021.05.031

2. Ким К.О., Евдокименко Н.Д., Прибытков П.В., Тедеева М.А., Боровков С.А., Кустов А.Л. ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАНОЛА ИЗ СО2 НА Cu-Zn/xAl2O3-(1-x)SiO2 КАТАЛИЗАТОРАХ, ВЛИЯНИЕ СОСТАВА НОСИТЕЛЯ Russian Journal of Physical Chemistry A (год публикации - 2021)

3. Иващенко А.Н., Тедеева М.А. Влияние присутствия СО2 на каталитическое дегидрирование этана на CrOx/SiO2 катализаторах Материалы XXVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-21» (год публикации - 2021)

4. Кустов Л.М., Кустов А.Л. IR-SPECTROSCOPIС INVESTIGATION OF "INTERNAL" SILANOL GROUPS IN DIFFERENT ZEOLITES WITH PENTASIL STRUCTURE Mendeleev Communications (год публикации - 2021)
10.1016/j.mencom.2021.07.030

5. Иващенко А.Н., Тедеева М.А., Картавова К.Е. , Аймалетдинов Т.Р., Прибытков П.В., Кустов А.Л. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕГИДРИРОВАНИЕ ЭТАНА В ПРИСУТСТВИИ СО2 НА КАТАЛИЗАТОРАХ CrOx/SiO2 Russian Journal of Physical Chemistry A (год публикации - 2021)

6. Вертепов А.Е., Фёдорова А.А., Кустов А.Л. Синтез CuO-ZnO/SiO2 и CuO-ZnO/CeO2-SiO2 с использованием β-циклодекстрина и исследование их каталитической активности в реакции конверсии СО2 в метанол Материалы XXVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-21» (год публикации - 2021)

7. Тедеева М.А., Кустов А.Л., Прибытков П.В., Капустин Г.И., Леонов А.В., Ткаченко О.П., Турсунов О.Б., Евдокименко Н.Д., Кустов Л.М. Dehydrogenation of propane in the presence of CO2 on GaOx/SiO2 catalyst: Influence of the texture characteristics of the support Fuel, 313, 122698 (год публикации - 2022)
10.1016/j.fuel.2021.122698

8. Черняк С.А., Кустов А.Л., Столбов Д.Н., Тедеева М.А., Исайкина О.Я, Маслаков К.И., Усольцева Н.В., Савилов С.В. Chromium catalysts supported on carbon nanotubes and graphene nanoflakes for CO2-assisted oxidative dehydrogenation of propane Applied Surface Science, V. 578, P. 152099 (год публикации - 2022)
10.1016/j.apsusc.2021.152099

9. Ким К.О., Шестеркина А.А., Тедеева М.А., Картавова К.Е., Прибытков П.В., Дунаев С.Ф., Кустов А.Л. Obtaining Methanol from СО2 on Cu–Zn/Al2O3 and Cu–Zn/SiO2 Catalysts: Effect of the Support and Conditions of the Reaction Russian Journal of Physical Chemistry A, Vol. 97, No 4, pp. 582-586 (год публикации - 2023)
10.1134/S0036024423040167

10. Машкин М.Ю., Тедеева М.А., Федорова А.А., Фатула Е.Р., Егоров А.В., Дворяк С.В., Маслаков К.И., Кнотько А.В., Баранчиков А.Е., Капустин Г.И., Петухов Д.И., Шаталова Т.Б., Морозов И.В., Кустов Л.М., Кустов А.Л. Synthesis of CexZr1-xO2/SiO2 supports for chromium oxide catalysts of oxidative dehydrogenation of propane with carbon dioxide Journal of Chemical Technology and Biotechnology, V. 98, № 5, pp. 1247-1259 (год публикации - 2023)
10.1002/jctb.7339

11. Кустов Л.М., Костюхин Е.М., Корнеева Е.Ю., Кустов А.Л. Microwave synthesis of nanosized iron-containing oxide particles and their physicochemical properties Russian Chemical Bulletin, Vol. 72, No. 3, pp. 583-601 (год публикации - 2023)

12. Картавова К.Е., Машкин М.Ю., Костин М.Ю., Финашина Е.Д., Калмыков К.Б., Капустин Г.И., Прибытков П.В., Ткаченко О.П., Мишин И.В., Кустов Л.М., Кустов А.Л. Rhodium-Based Catalysts: An Impact of the Support Nature on the Catalytic Cyclohexane Ring Opening Nanomaterials, v. 13, № 5, p. 936 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13050936

13. Медведев А.А., Кустов А.Л., Бельдова Д.А., Калмыков К.Б., Машкин М.Ю., Шестеркина А.А., Дунаев С.Ф., Кустов Л.М. Influence of the Method of Fe Deposition on the Surface of Hydrolytic Lignin on the Activity in the Process of Its Conversion in the Presence of CO2 International Journal of Molecular Sciences, V. 24, Issue 2, 1279 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24021279

14. Тедеева М.А., Кустов А.Л., Прибытков П.В. Effect of support structure on the activity of Cr- and Ga-containing catalysts in the reaction of propane dehydrogenation with the participation of CO2 Proceedings of VII International scientific school-conference for young scientists «Catalysis: from science to industry», с. 88 (год публикации - 2022)

15. Стрекалова А.А., Шестеркина А.А., Кустов А.Л., Кустов Л.М. Recent Studies on the Application of Microwave-Assisted Method for the Preparation of Heterogeneous Catalysts and Catalytic Hydrogenation Processes International Journal of Molecular Sciences, 24(9), 8272 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24098272

16. Береснев К.А. Гидрирование диоксида углерода с получением углеводородов на мезопористых иерархических Fe-содержащих каталитических системах, полученных методом соосаждения с темплатом (СТМА-Br и P123) и добавками Si, Al, Zr и Ce Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов 2023», секция «Химия», с. 283 (год публикации - 2023)

17. Куприкова Е.М., Тедеева М.А., Машкин М.Ю., Прибытков П.В. Исследование влияния структуры носителя на активность Cr-содержащих катализаторов в реакции дегидрирования пропана с участием СО2 Тезисы докладов. XXI Всероссийская конференция молодых ученых «Актуальные проблемы неорганической химии: синхротронные и нейтронные методы в химии современных материалов», с. 154 (год публикации - 2022)

18. Машкин М.Ю., Тедеева М.А., Федорова А.А., Кустов А.Л. CrOx/SiO2 mesoporous catalysts: synthesis using beta-cyclodextrin as a template and catalytic properties in propane dehydrogenation with CO2 Proceedings of VII International scientific school-conference for young scientists «Catalysis: from science to industry», с. 43 (год публикации - 2022)

19. Игонина М.С., Тедеева М.А., Калмыков К.Б., Капустин Г.И., Ниссенбаум В.Д., Мишин И.В., Прибытков П.В., Дунаев С.Ф., Кустов Л.М., Кустов А.Л. Properties of CrOx/MCM-41 and Its Catalytic Activity in the Reaction of Propane Dehydrogenation in the Presence of CO2 Catalysts, 13(5), 906 (год публикации - 2023)
10.3390/catal13050906

20. Виканова К.В., Кустов А.Л., Махов Е.А.,Ткаченко О.П., Капустин Г.И., Калмыков К.Б., Мишин И.В., Ниссенбаум В.Д., Дунаев С.Ф., Кустов Л.М. Rhenium-contained catalysts based on superacid ZrO2 supports for CO2 utilization Fuel, Volume 351, 1 November 2023, 128956 (год публикации - 2023)
10.1016/j.fuel.2023.128956

21. Вертепов А.Е., Федорова А.А., Баткин А.М., Кнотько А.В., Маслаков К.И., Долженко В.Д., Васильев А.В., Капустин Г.И., Шаталова Т.Б., Сорокина Н.М., Кустов Л.М., Морозов И.В., Кустов А.Л. CO2 Hydrogenation to Methanol on CuO-ZnO/SiO2 and CuO-ZnO/CeO2-SiO2 Catalysts Synthesized with β-Cyclodextrin Template Catalysts, 13, 1231 (год публикации - 2023)
10.3390/catal13091231

22. Медведев А.А., Кустов А.Л., Бельдова Д.А., Поликарпова С.Б., Пономарев В.Е., Мурашова Е.В., Соколовский П.В., Кустов Л.М. A Synergistic Effect of Potassium and Transition Metal Compounds on the Catalytic Behaviour of Hydrolysis Lignin in CO2-Assisted Gasification Energies, 16, 4335 (год публикации - 2023)
10.3390/en16114335

23. Евдокименко Н.Д., Капустин Г.И., Ткаченко О.П., Калмыков К.Б., Кустов А.Л. Zn Doping Effect on the Performance of Fe-Based Catalysts for the Hydrogenation of CO2 to Light Hydrocarbons Molecules, 27 (3), 1065 (год публикации - 2022)
10.3390/molecules27031065

Публикации