Расслоение твердых растворов как путь к созданию эффективных Mn-содержащих катализаторов окисления СО и углеводородов

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 21-73-10218

НазваниеРасслоение твердых растворов как путь к созданию эффективных Mn-содержащих катализаторов окисления СО и углеводородов

Руководитель Булавченко Ольга Александровна, 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" , Новосибирская обл

Конкурс №61 - Конкурс 2021 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 Гетерогенный катализ, окисление СО, оксид церия, оксид марганца, смешанные оксиды, in situ исследования, EXAFS, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, рентгеновская дифракция, полное окисление

Код ГРНТИ31.15.28

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Интерес к изучению Mn-содержащих катализаторов в процессах полного окисления углеводородов и СО связан с необходимостью замены классических катализаторов, содержащих благородные металлы, так как последние обладают недостаточной стабильностью и высокой стоимостью. Марганецсодержащие оксидные катализаторы характеризуются экономичностью и экологической безопасностью, повышенной термической стабильностью и устойчивостью к отравлению каталитическими ядами. Активность оксидов марганца связана со способностью ионов марганца легко менять степень окисления и с многообразием различных как стехиометрических, так и нестехиометрических модификаций Более того, комбинирование оксидов марганца с другими элементами значительно расширяет их возможности. При взаимодействие с оксидами церия/циркония наблюдается улучшение эффективности катализаторов за счет синергетического эффекта; происходит образование «реактивных» форм кислорода, которые формируются как в наночастицах оксида марганца MnOx, так и на границах между оксидами в областях, представляющих собой твердые растворы MnyCe(Zr)1-yOx. На сегодняшний день развиваемые подходы к приготовлению катализаторов сконцентрированы на получении твердых растворов, широко применяется соосаждение, гидротермальный и темплатный синтез. В проекте предлагается принципиально новый способ создания активного катализатора, образующегося не за счет формирования твердого раствора, а за счет его расслоения при введении стадии топохимического восстановления. Основная идея заключается в том, что под действием газообразной восстановительной среды из состава смешанного оксида выделяются наночастицы оксида Mn2+, закрепленные на поверхности «родительского» оксида. При дальнейшем реокислении на стадии активации или в условиях реакционный среды происходит их окисление с формированием активных состояний оксидов марганца определённой структуры, прочно связанных с «носителем», который, с одной стороны, предотвращает спекание активного компонента, с другой стороны, также обладает собственной активностью (кислородной мобильностью), и обеспечивает транспорт кислорода. Ожидается, что предлагаемой способ активации катализаторов приведет к росту каталитической активностью в реакциях окисления. В качестве модельных реакций будет использоваться окисление СО и пропана. Характеризация таких систем требует определенных методов исследования, в том числе применение in situ подходов для изучения процессов активации катализаторов. Особенностью предлагаемого проекта является применение современного комплекса физико-химических методов к исследованию свойств Mn-содержащих катализаторов, который включает в себя метод просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМВР), рентгеновского фазового анализа (РФА), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), спектроскопии рентгеновского поглощения EXAFS и XANES, температурно-программируемого восстановления (ТПВ). Использование данных методик позволит детально исследовать фазовый состав, морфологию, катионное окружение, электронные свойства, состав и структуру поверхности, окислительно-восстановительные свойства, наличие дефектов в объеме и на поверхности катализаторов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Булавченко О.А., Винокуров З.С., Афонасенко Т.Н., Герасимов Е.Ю., Коновалова В.П. The activation of MnOx -ZrO2 catalyst in CO oxidation: Operando XRD study Materials Letters, V.315. 131961:1-4. DOI: 10.1016/j.matlet.2022.131961 (год публикации - 2022)
10.1016/j.matlet.2022.131961

2. Афонасенко Т.Н., Глыздова Д.В., Коновалова В.П., Сараев А.А., Айдаков E.E., Булавченко О.А. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОКАЛИВАНИЯ НА СВОЙСТВА MN-ZR-СE КАТАЛИЗАТОРОВ В ОКИСЛЕНИИ СО Кинетика и катализ, 2022, том 63, № 4, с. 1–10 (год публикации - 2022)

3. Афонасенко Т.Н., Глыздова Д.В., Юрпалов В.Л., Коновалова В.П., Рогов В.А., Герасимов Е.Ю., Булавченко О.А. The Study of Thermal Stability of Mn-Zr-Ce, Mn-Ce and Mn-Zr Oxide Catalysts for CO Oxidation Materials, 15, 3, 778, 1-11 (год публикации - 2022)
10.3390/ma15217553

4. Мищенко Д.Д., Винокуров З.С., Афонасенко Т.Н., Сараев А.А., Симонов М.Н., Герасимов Е.Ю., Булавченко О.А. Insights into the Contribution of Oxidation-Reduction Pretreatment for Mn0.2Zr0.8O2−δ Catalyst of CO Oxidation Reaction Materials, V.16. N9. P. 1-16 (год публикации - 2023)
10.3390/ma16093508

5. Афонасенко Т.Н., Юрпалова Д.В., Винокуров З.С., Сараев А.А., Айдаков Е.Е., Коновалова В.П., Рогов В.А., Булавченко О.А. The Formation of Mn-Ce-Zr Oxide Catalysts for CO and Propane Oxidation: The Role of Element Content Ratio Catalysts, V.13. N1. P.1-17 (год публикации - 2023)
10.3390/catal13010211

6. Булавченко О.А. Application of In Situ X-Ray Diffraction to Study Oxide and Metal Oxide Catalyst Synchrotron Radiation Techniques for Catalysts and Functional Materials International Conference, Book of Abstracts., Synchrotron Radiation Techniques for Catalysts and Functional Materials International Conference, Book of Abstracts.–BIC SB RAS.,2022.– C.11.PL-4 (год публикации - 2022)

7. Коновалова В.П., Винокуров З.С., Афонасенко Т.Н., Булавченко О.А. Operando дифракционное исследование Mn-Zr катализаторов в реакциях окисления CO и C3H8 Школа молодых ученых по синхротронным методам исследования в материаловедении (2–3 ноября 2022 г., Новосибирск, Россия) : Сб. тез. Сборник, 2022. 128 c, Сб. тез..2022, C.43-44.УДш-20. (год публикации - 2022)

8. Булавченко О.А., Коновалова В.П., Сараев А.А,, Афонасенко Т.Н., Глыздова Д.В., Мищенко Д.Д., Винокуров З.С. The Catalytic Oxidation Performance of CO and C3H8 Oxidation over the MnOx-ZrO2-CeO2 Catalysts: The Role of the Synthesis Strategy В сборнике Catalysis: from science to industry : Proceedings of VII International scientific school-conference for young scientists., Catalysis: from science to industry : Proceedings of VII International scientific school-conference for young scientists.–ТГУ.,2022.– C.37.OP13 (год публикации - 2022)

9. Коновалова В.П., Винокуров З.С., Афонасенко Т.Н., Булавченко О.А Operando XRD Study of Mn-Zr Oxide Catalysts in CO and C3H8 Oxidation Reactions Catalysis: from science to industry : Proceedings of VII International scientific school-conference for young scientists Сборник, ТГУ. 2022. 177 c., Catalysis: from science to industry : Proceedings of VII International scientific school-conference for young scientists.–ТГУ.,2022.– C.157.PP38 (год публикации - 2022)

10. Винокуров З.С., Афонасенко Т.Н., Мищенко Д.Д., Сараев А.А., Айдаков Е.Е., Рогов В.А. , Булавченко О.А. Operando дифракционное исследование Mn–Ce катализаторов окисления СО Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования., №6. С.74-80. (год публикации - 2023)
10.1134/s1027451023030345

11. Булавченко О.А., Афонасенко Т.Н., Коновалова В.П., Рогов В.А., Герасимов Е.Ю., Айдаков А.А., Винокуров З.С. Влияние температуры прокаливания на свойства MnOх–CuO-ZrO2–CeO2 катализаторов окисления СО Журнал структурной химии (год публикации - 2024)
10.26902/JSC_id129103

12. Булавченко О.А. , Афонасенко Т.Н. , Юрпалова Д.В. , Винокуров С. З.С. , Мищенко Д.Д. , Коновалова В.П. Формирование и расслоение Mn-содержащих оксидов как путь к созданию наноструктурированных катализаторов VIII Всероссийская конференция по наноматериалам. Сборник материалов. НАНО-2023 Сборник, ИМЕТ РАН. 2023., 2023. C.286-288 (год публикации - 2023)

13. Булавченко О.А., Винокуров З.С., Коновалова В.П., Мищенко Д.Д. Application of In Situ XRD to Study of MnOx-CeO2-ZrO2 Catalysts Formation Synchrotron Radiation Techniques for Catalysts and Functional Materials, II International Conference, Abstracts.–BIC SB RAS.,2023, 2023.– C.27.OP-04 (год публикации - 2023)

14. Булавченко О.А. , Афонасенко Т.Н. , Юрпалова Д.В. , Винокуров З.С. , Мищенко Д.Д. , Сараев А.А. , Айдаков Е.Е. , Коновалова В.П. Формирование и расслоение Mn-содержащих оксидов как путь к созданию эффективных катализаторов окиcления VII Всероссийская научная конференция «Актуальные проблемы теории и практики гетерогенных катализаторов и адсорбентов». 28 июня – 1 июля 2023 г. Иваново – Суздаль: Материалы конференции.–ИГХТУ.,2023., C.68-70. (год публикации - 2023)

Публикации