Получение ценных органических соединений путем фотокаталитического восстановления CO2: Строение катализаторов и механизм их каталитического действия

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 21-73-10235

НазваниеПолучение ценных органических соединений путем фотокаталитического восстановления CO2: Строение катализаторов и механизм их каталитического действия

Руководитель Сараев Андрей Александрович, Кандидат физико-математических 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; 03-201 - Синтез, строение и реакционная способность неорганических соединений

Ключевые слова Фотокаталитическое восстановление, утилизация CO2, диоксид титана, нитрид углерода, видимый свет, солнечная энергетика, in situ/operando исследования, EXAFS/XANES, ИК спектроскопия диффузного отражения

Код ГРНТИ31.15.28

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Увеличивающаяся с каждым годом скорость сокращения запасов легкодоступного высококачественного природного углеводородного сырья (нефти, газа и угля) приковывает внимание ученых по всему миру, так как требует решения уже в ближайшие десятилетия. Очевидно, что решение данной проблемы тесно связано с освоением новых способов получения энергии из альтернативных источников. При этом в одном ряду с «классическими» альтернативными источниками энергии, такими как ядерная и термоядерная энергетика, стоят и источники энергии с использованием возобновляемых ресурсов (ветер, солнечная энергия, энергия приливов и отливов, растительное сырье). Считается, что наиболее перспективным направлением в этой области является развитие солнечной энергетики. Традиционно выделяют два способа использования солнечной энергии – использование солнечных батарей, позволяющих преобразовать солнечную энергию в электроэнергию, и использование систем, позволяющих преобразовать солнечную энергию в энергию химических связей, как с помощью термохимических, так и с помощью квантовохимических систем [Успехи химии. 2017. Т.86. №9. С.870-906.]. В случае квантововхимических преобразований солнечной энергии в химическую энергию одним из наиболее интересных процессов является фотохимическое и фотокаталитическое восстановление СО2 до органических соединений (метан, метанол, этан и т.д.). Данный процесс является аналогом природного фотосинтеза растений, при этом, как и в случае фотосинтеза происходит трансформация солнечной энергии в энергию химических связей, а также уменьшение концентрации СО2 в атмосфере. Таким образом, химическое связывание СО2 является актуальной задачей не только с точки зрения его использования в качестве источника углеродной органики, но и для уменьшения его концентрации в атмосфере. При этом возможными продуктами фотокаталитической конверсии СО2 и воды могут быть спирты и углеводороды, в дальнейшем эти соединения могут быть использованы либо как топливо, либо как химические соединения для дальнейшего синтеза более ценных продуктов. Однако основной сложностью для широкомасштабного внедрения данного процесса является отсутствие эффективных фотокатализаторов. Более того, хотя фотокаталитическое восстановление CO2 исследуется уже на протяжении нескольких десятков лет, до сих нет единого мнения, как происходит процесс восстановления CO2 и что влияет на распределение продуктов восстановления CO2. Наибольший интерес с точки зрения фундаментальной науки представляет механизм фотокаталитического восстановления CO2, так знание механизма позволит не только направлять маршрут реакции в сторону получения целевых продуктов, но также подобрать наиболее эффективный фотокатализатор с заданными свойствами, такими как степень конверсии CO2, селективность по целевым продуктам, стоимость и т.д. Таким образом, можно сформулировать фундаментальную проблему на решение которой направлен данный проект – создание эффективных фотокатализаторов и изучение механизмов восстановления диоксида углерода под действием излучения УФ- и видимого диапазона. В связи с этим в рамках проекта планируется провести синтез двух типов фотокатализаторов на основе TiO2 и полимерного g-C3N4, при этом также планируется исследование промотирования данных фотокатализаторов платиной, оксидами меди и никеля, а также сульфидами меди и никеля. Будет проведено систематическое исследование восстановления CO2 на синтезированных катализаторах, с целью определения активного компонента, изучения природы фотокаталитических трансформаций углекислого газа, а также стабильности катализатора в условиях реакции. Будет изучена ключевая стадия процесса – фотоадсорбция молекулы СО2 на поверхности фотокатализатора. Активность всех синтезированных катализаторов в реакции фотокаталитического восстановления СО2 будет исследоваться в каталитической установке, наиболее активные катализаторы будут синтезированы в больших количествах, достаточных для проведения исследований широким набором физико-химических методов, в том числе в режиме in situ /operando. Отличительной особенностью и научной новизной проекта является проведение in situ /operando исследований широким набором методов, включая методы рентгеновского поглощения XANES/EXAFS, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, ИК-спектроскопию диффузного отражения и масс-спектрометрию. Применение рентгеновских методов в режиме in situ /operando позволит исследовать состояние активного компонента катализатора непосредственно в условиях протекания фотокаталитического процесса, применение ИК-спектроскопии и масс-спектроскопии позволит исследовать интермедиаты реакции, адсорбированные на поверхности фотокатализатора, а также изучить продукты и реагенты в газовой фазе. Подобный подход к исследованию каталитических систем является широко используется в мировой научной практике и с каждым годом приобретает все большую популярность, однако для фотокаталитических приложений практически не используется. Важно отметить, что эксперименты будут проводиться на уникальных установках: in situ XANES/EXAFS эксперименты будут проведены на станции «Структурное материаловедение» в Курчатовском комплексе синхротронно-нейтроных исследований (Москва) и станции «EXAFS-спектрометрии» в Сибирском центре синхротронного и терагерцевого излучения (ИЯФ СО РАН, Новосибирск), in situ РФЭС эксперименты будут проведены на уникальном рентгеновском фотоэлектронном спектрометре SPECS NAP XPS (Карлов университет, г. Прага, Чехия), operando ИК-исследования будут проведены на уникальном оборудовании: ИК-спектрометр Bruker Vertex 80v, оснащенной каталитической ячейкой диффузного отражения, в комбинации с ИК-спектрометром Bruker Alpha II с многопроходной газовой ячейкой, позволяющей определять концентрацию продуктов в газовой фазе с чувствительностью до 100 ppm. Также важно отметить, что катализаторы будут исследованы метом просвечивающей электронной микроскопии на современном микроскопе ThermoFisher Scientific Themis Z с атомарным разрешением. Совокупность выбранных подходов, а именно синтез и исследование катализаторов, проведение фотокаталитических исследований, а также проведение физико-химических экспериментов в режиме in situ/operando, позволит установить корреляции между природой активного компонента, характером его взаимодействия с носителем, фазовым составом, элементным составом поверхности, составом адсорбционного слоя и каталитической активностью и стабильностью. Полученные результаты позволят сформулировать рекомендации для целенаправленного синтеза фотокатализаторов, обладающих максимально возможной активностью в восстановлении CO2.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сараев А.А.,Куренкова А.Ю., Герасимов Е.Ю., Козлова Е.А. Broadening the Action Spectrum of TiO2-Based Photocatalysts to Visible Region by Substituting Platinum with Copper Nanomaterials, Nanomaterials 2022, 12(9), 1584 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12091584

2. Сараев А.А. , Куренкова А.Ю. , Журенок А.В. , Герасимов Е.Ю. , Козлова Е.А. Selectivity Control of CO2 Reduction over Pt/g-C3N4 Photocatalysts under Visible Light Catalysts, V.13. N2. 273:1-14 (год публикации - 2023)
10.3390/catal13020273

3. Куренкова А.Ю., Сараев А.А., Журенок А.В., Герасимов Е.Ю., Козлова Е.А. Photocatalytic CO2 Reduction under UV- and Visible Light Irradiation: The Effect of CuOx Cocatalysts Catalysis: from science to industry : Proceedings of VII International scientific school-conference for young scientists, ТГУ, 2022. 80 c (год публикации - 2022)

4. Сараев А., Журенок А., Куренкова А. , Герасимов Е., Тригуб А., Козлова Е. TiO2- and g-C3N4-Based Photocatalysts for CO2 Reduction: XAS Study Book of abstracts of International Conference "Synchrotron and Free Electron Laser Radiation: Generation and Application", ИЯФ СО РАН.,2022.– C.81-82 (год публикации - 2022)

5. Куренкова А.Ю. , Журенок А.В. , Герасимов Е.Ю. , Сараев А.А. , Козлова Е.А. Фотокатализаторы на основе G-C3N4 Для восстановления CO2: влияние условий синтеза на активность Инновационные материалы и технологии : материалы Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых, 2023.– C.30-33 (год публикации - 2023)

6. Журенок А.В. , Куренкова А.Ю. , Герасимов Е.Ю. , Сараев А.А. , Козлова Е.А. Материалы на основе TiO2 и g-C3N4 для фотокаталитического восстановления CO2 Инновационные материалы и технологии : материалы Международной научно-технической конференции молодых ученых, БГТУ.,2022.– C.134-137. (год публикации - 2022)

7. Журенок А.В. , Куренкова А.Ю. , Герасимов Е.Ю. , Сараев А.А. , Козлова Е.А. Фотокаталитическое восстановление CO2 на катализаторах на основе TiO2 и g-C3N4 Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2022", Перо.,2022.– C.264. (год публикации - 2022)

8. Куренков А.Ю., Сараев А.А., Журенок А.В., Герасимов Е.Ю., Козлова Е.А. Semiconductor Materials Based on TiO2 and g-C3N4 for Photocatalytic CO2 Conversion SCIS 2022 Book of Abstract, 2022.– C.28. (год публикации - 2022)

9. Сараев А., Журенок А., Куренкова А., Герасимов Е., Тригуб А., Козлова Е. TiO2- and g-C3N4-based photocatalysts for CO2 reduction: XAS study Тезисы конференции "Первый Курчатовский форум синхротронно-нейтронных исследований (Курчатов ФСНИ 2023)", Первый Курчатовский форум синхротронно-нейтронных исследований (Курчатов ФСНИ 2023) 24–27 октября 2023 г. Москва (год публикации - 2023)

10. Сараев А.А., Куренкова А.Ю., Мищенко Д.Д., Тригуб А.Л., Герасимов Е.Ю., Козлова Е.А. Cu/TiO2 Photocatalysts for CO2 Reduction: Structure and Evolution of the Cocatalyst Active Form Transactions of Tianjin University, Trans. Tianjin Univ. 30, 140–151 (2024) (год публикации - 2024)
10.1007/s12209-024-00384-3

11. Куренкова А.Ю., Радина А.Д., Байдышев В.С., Поваляев П.В., Айдаков Е.Е., Герасимов Е.Ю., Мищенко Д.Д., Журенок А.В., Пак А.Я., Козлова Е.А., Квашнин А.Г. Photocatalytic H2 Generation and CO2 Reduction by WB5-x Cocatalyst of TiO2 Catalyst Applied Surface Science, AppliedSurfaceScience 661 (2024) 160095 (год публикации - 2024)
10.1016/j.apsusc.2024.160095

12. Алексеев Р.Ф., Сараев А.А., Куренкова А.Ю., Козлова Е.А. Гетероструктуры на основе g-C3N4 для фотокаталитического восстановления CO2 Успехи химии (год публикации - 2024)

13. Алексеев Р.Ф. Фотокаталитическое восстановление CO2 в присутствии композитных материалов на основе TiO2 и g-C3N4 Сборник тезисов 62-й международной студенческой конференции МНСК-2024 (г. Новосибирск,Россия) 17-24 апреля 2024 года, б/н (год публикации - 2024)

14. Куренкова А.Ю., Сараев А.А., Алексеев Р.Ф., Журенок А.В., Козлова Е.А. Композитные фотокатализаторы на основе графитоподобного нитрида углерода и диоксида титана для преобразования солнечной энергии Сборник тезисов Международной научно-технической конференции молодых ученых «Инновационные материалы и технологии – 2024» (г. Минск, Республика Беларусь), б/н (год публикации - 2024)

15. Куренкова A.Ю., Сараев А.А., Козлова Е.А. Синтез графитоподобного нитрида углерода для фотокаталитического восстановления СО2 в ценные органические продукты Сборник содержит аннотации и тезисы пленарных лекций, ключевых, устных и флеш сообщений, а также заочные доклады участников Всероссийской молодежной научной школы-конференции «Актуальные проблемы органической химии-2024», Сборник тезисов.–НИОХ СО РАН.,2024.– C.38.KL-4 (год публикации - 2024)

16. Куренкова А.Ю., Герасимов Е.Ю.,Сараев А.А., Козлова Е.А. Фотокатализаторы Pt/TiO2 для восстановления CO2 под действием УФ-излучения Известия Академии наук. Серия химическая, 2023. Т.72. №1. С.269-276 (год публикации - 2023)
10.1007/s11172-023-3732-2

Публикации