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 20-79-10286
НазваниеРазработка гетерогенных наноструктурных материалов Fe(Pt, Ag)/BN для переработки углекислого газа
Руководитель Конопацкий Антон Сергеевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , 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 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии
Ключевые слова Наноматериалы, гетерогенный катализ, гексагональный нитрид бора, наночастицы железа, гидрирование CO2
Код ГРНТИ91.09.03
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение важной научной проблемы переработки углекислого газа за счет разработки гетерогенных нанокатализаторов с высокой каталитической активностью, селективностью и стабильностью. Основной задачей проекта является разработка, получение и всестороннее изучение наноструктур Fe(Pt,Ag)/BN для применения в процессах гидрирования углекислого газа.
Изменение климата Земли становится глобальной проблемой современности. Аномальные непрогнозируемые погодные катаклизмы и повышение уровня моря являются следствиями изменения климата и представляют серьезную экономическую и социальную угрозы. В докладе восточного экономического форума (ВЭФ) было подчеркнуто, что среди всех глобальных экономических вызовов основными являются риски, связанные с изменением климата, охраной природы и ухудшающейся экологией. Наиболее крупные экономические потери происходят по причине природных катаклизмов: засух, наводнений и др. Согласно пятому оценочному докладу межправительственной группы экспертов, изменение климата в результате антропогенной деятельности является научно обоснованным фактом. Быстрый рост концентрации парниковых газов в атмосфере в последние годы вынуждает искать новые эффективные способы борьбы с этой мировой проблемой.
На сегодняшний день доля энергии, получаемой из ископаемого топлива, составляет 86,4% от всех источников потребляемой энергии. Несмотря на развитие альтернативной энергетики, в ближайшие десятилетия ископаемое топливо сохранит свои позиции в энергетическом секторе. Перспективы применения углекислого газа, как неисчерпаемого источника энергии и полезных в химической промышленности продуктов, привлекают внимание, как с экономической, так и социальной точки зрения.
Сложности, стоящие на пути разработки эффективного способа гидрирования CO2, связаны с его высокой стабильностью и, как следствие, довольно низкой конверсией и селективностью на многих известных катализаторах. Поэтому поиск новых систем и внедрение новых гетерогенных катализаторов, обладающих повышенным комплексом функциональных свойств, позволит не только обеспечить защиту окружающей среды и снизить негативные последствия деятельности человека, но и обеспечить снабжение энергетической и химической промышленности продуктами с высокой добавленной стоимостью.
С научной точки зрения, всё большую актуальность приобретают исследования, направленные на поиск новых материалов, в частности, новых подложек, выступающих в роли носителей каталитически активных частиц. Одними из первых подложек в катализе были оксидные материалы. Однако в последние годы наблюдается повышенный интерес к подложкам на основе наноструктурных углеродных материалов. Было установлено, что материал подложки оказывает существенное влияние на каталитические процессы. Это послужило стимулом к развитию исследований по функционализации поверхности углеродных материалов. В этой связи большой актуальностью обладают работы, посвященные разработке наноструктурных гетерогенных катализаторов на основе новых перспективных материалов, таких как гексагональный нитрид бора (h-BN). Нанопластины гексагонального нитрида бора, как класс 2D-материалов, обладают высокой удельной поверхностью, химической и термической стабильностью, высоким комплексом механических характеристик, что делает его новым перспективным носителем каталитически активных частиц.
Перспективным материалом для процессов гидрирования CO2 являются наночастицы железа (Fe), а также биметаллические частицы на его основе. Железо – распространенный в природе дешевый материал. Его получение в наноструктурном виде возможно путем восстановления солей в рамках различных методик, позволяющих контролировать не только размер, но и форму наночастиц, что сказывается на их свойствах. Однако высокая склонность наночастиц Fe, а также биметаллических частиц Fe(Pt, Ag) к агломерации (спеканию) при повышенных температурах ставит задачу стабилизации этих частиц. Применение различных наноструктурных подложек позволяет не только предотвратить агломерацию наночастиц Fe и Fe(Pt, Ag), но и, возможно, достичь синергического эффекта, способствующего более высоким каталитическим свойствам материала.
При реализации проекта впервые будут получены и исследованы наноструктуры Fe/BN и Fe(Pt, Ag)/BN в качестве перспективных гетерогенных катализаторов для переработки углекислого газа. Будет изучено влияние морфологии, дефектной структуры и химического состояния носителя h-BN на стабилизацию наночастиц Fe и биметаллических наночастиц на его основе.
Будут разработаны новые методы стабилизации наночастиц Fe и Fe(Pt, Ag) на носителях h-BN различной морфологии. В качестве носителей для металлических наночастиц будут использованы два следующие морфологических типа h-BN с высокой удельной поверхностью: нанопластины h-BN толщиной в несколько атомных слоев и средним размером около 50 нм и сферические наночастицы h-BN со средним диаметром 100 нм, образованные многочисленными нанопластинами h-BN. Выбор указанных морфологических типов наноструктур h-BN обусловлен необходимостью стабилизации большого количества наноразмерных каталитически активных частиц Fe и Fe(Pt, Ag) и снижения их склонности к агломерации при повышенных температурах (температурах каталитических реакций). Это позволит повысить каталитическую активность, стабильность и увеличить срок службы гетерогенных катализаторов.
Для контроля размера наночастиц Fe и увеличения числа центров зародышеобразования в среду синтеза будут добавлены низкие концентрации Pt и Ag (молярное отношение к железу 1:10000). Особенность Pt и Ag состоит в том, что молекулы полиола позволят стабилизировать их зародыши в течение достаточно долгого времени (при условии низкой концентрации металлов). Таким образом, Pt и Ag будут играть роль центров зародышеобразования для наночастиц Fe за счет снижения поверхностной энергии и энергии зародышеобразования частиц железа. Также будет установлена концентрация Pt и Ag, при которой происходит формирование биметаллических наночастиц FePt и FeAg на поверхности h-BN. Отжиг таких гетерогенных структур позволит впервые определить влияние поверхности h-BN на их стабильность.
Будет разработан новый метод окислительного травления наноструктур h-BN с целью формирования поверхностных дефектов. Для этого на поверхности BN будут высажены наночастицы серебра. Синтезированные материалы будут подвергнуты окислительному отжигу с целью формирования двумерных дефектов на h-BN с контролируемыми размерами. Последующее удаление наночастиц серебра с поверхности позволит получить новые универсальные подложки на основе дефектного h-BN. Эти подложки будут использованы в дальнейшем для синтеза на их поверхности наночастиц железа. Это позволит установить влияние контролируемой дефектной структуры поверхности h-BN на размер и распределение наночастиц Fe, а также биметаллических наночастиц FePt и FeAg.
Реализация проекта позволит получить новые фундаментальные знания об особенностях взаимодействия наночастиц переходных металлов с поверхностью частиц h-BN, выявить их влияние на механизм каталитических реакций и процессы адсорбции, а также определить эффективные схемы управления свойствами новых гетерогенных катализаторов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ