Дизайн катализаторов с моноатомными и кластерными структурами нанесённых благородных металлов для окисления летучих органических соединений

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 23-73-10152

НазваниеДизайн катализаторов с моноатомными и кластерными структурами нанесённых благородных металлов для окисления летучих органических соединений

Руководитель Мамонтов Григорий Владимирович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 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 Катализатор; благородные металлы; моноатомные центры; кластер; биметаллические наночастицы; окисление летучих органических соединений; платина; иридий; серебро

Код ГРНТИ31.15.28

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Решение задач по обеспечению безопасности от вредного воздействия промышленности, транспорта, техногенных аварий, природных катаклизмов и других источников опасности является одной из приоритетных сегодня. Каталитические технологии играют ключевую роль в нейтрализации опасных веществ как в воздухе, так и в сбросовых водах. Разработка новых катализаторов, отличающихся не только высокой активностью, но и стабильностью, а также доступностью, является актуальной задачей. Наиболее активными в окислении летучих органических соединений являются катализаторы на основе нанесённых благородных металлов, в первую очередь, палладия и платины. Их использование ограничено высокой стоимостью, а разрушение катализаторов в условиях каталитических процессов приводит к безвозвратной потере этих дорогостоящих металлов. Актуальным является разработка катализаторов, не содержащих дорогостоящие благородные металлы, или содержащие их минимальные количества. Решение проблемы создания катализаторов с высокой активностью может достигаться за счёт использования подходов к стабилизации очень малых содержаний металлов в моноатомных и кластерных состояниях, в том числе за счёт сильного взаимодействия с носителем. Вторым решением является комбинирование платиновых металлов с другими более доступными металлами, в частности, серебром и железом с получением соответствующих биметаллических структур, которые могут быть более активными за счёт синергетического действия двух металлов. Настоящий проект направлен на разработку новых каталитических материалов на основе оксидов CeO2 и Fe2O3 с нанесёнными в малом количестве серебром, платиной и иридием. Оксид церия, оксид железа и их комбинация используется как носители с уникальными окислительно-восстановительными свойствами, а также с возможностью стабилизации высокодисперсных частиц нанесенных благородных металлов в моноатомных и кластерных состояниях за счёт сильного взаимодействия металл – носитель. Использование серебра обусловлено его уникальными каталитическими свойствами, большим сродством к металлам платиновой группы, а также невысокой стоимостью, что в комбинации с металлами платиновой группы при их малом содержании позволит значительно снизить стоимость катализаторов. Проект включает синтез монометаллических (Ag, Pt и Ir) и биметаллических (Ag-Pt, Ag-Ir) катализаторов на основе оксидов CeO2 и/или Fe2O3, исследование особенностей структуры получаемых катализаторов, состояний нанесённых металлов, их реакционной способности и стабильности в окислительных и восстановительных процессах. Управление взаимодействием предшественников оксида церия, железа и благородных металлов на стадии получения катализатора, а также условий обработок катализаторов позволит управлять структурой формирующейся межфазной границы металл – оксидный носитель, силой этого межфазного взаимодействия, состоянием металлов и, соответственно, реакционной способностью и каталитическими свойствами в реакциях окисления летучих органических соединений. Практическая значимость состоит в разработке подходов к получению более доступных катализаторов с малым содержанием Pt и Ir для очистки воздуха от летучих органических соединений. Разработка доступных катализаторов является приоритетной задачей в области защиты окружающей среды, противодействия различным техногенным угрозам.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Черных М.В., Михеева Н.Н., Мамонтов Г.В. Unexpected strong toluene chemisorption over Ag/CeO2 catalysts for total toluene oxidation Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2024 (год публикации - 2024)
10.1016/j.colsurfa.2024.134249

2. САВЕЛЬЕВА А.С., ПОНИЗОВНАЯ Д.А., МАМОНТОВ Г.В. ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК CeO2 НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Ag/Fe2O3 КАТАЛИЗАТОРОВ ГЛУБОКОГО ОКИСЛЕНИЯ ТОЛУОЛА Известия вузов. Физика / Russian Physics Journal, 2024 (год публикации - 2024)

3. Михеева Н.Н., Мамонтов Г.В. Ag-содержащие катализаторы окисления СО на основе CeO2-Fe2O3@SBA-15 ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА. ХИМИЯ (год публикации - 2025)

4. Савельева А.С., Евдокимова Е.В., Мамонтов Г.В. Pt–Ag Bimetallic Catalysts Supported on Mesoporous Silica MCM-41 in 4-Nitrophenol Reduction Russian Journal of Inorganic Chemistry, Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2024. DOI: 10.1134/S0036023624602356 (год публикации - 2024)
10.1134/S0036023624602356

5. Грабченко М.В., Черных М.В., Салаев М.А., Мамонтов Г.В. Bimetallic Ag-Ir/CeO2-Fe2O3 Nanostructured Catalysts with Single-Atom Species for Room-Temperature Nitrophenol Reduction ACS Applied Nano Materials, ACS Applied Nano Materials, 2025, V. 8 (12), P. 6255 - 6265. (год публикации - 2025)
10.1021/acsanm.5c01181

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Решение задач по обеспечению безопасности от вредного воздействия промышленности, транспорта, техногенных аварий, природных катаклизмов и других источников опасности является одной из приоритетных сегодня. Каталитические технологии играют ключевую роль в нейтрализации опасных веществ как в воздухе, так и в сбросовых водах. Разработка новых катализаторов, отличающихся не только высокой активностью, но и стабильностью, а также доступностью, является актуальной задачей. Решение задачи снижения содержания в катализаторах дорогостоящих благородных металлов может достигаться за счёт использования подходов к стабилизации очень малых содержаний металлов в моноатомных и кластерных состояниях, в том числе за счёт сильного взаимодействия с носителем, а также замены части платиновых металлов другими более доступными металлами, в частности, серебром и железом с получением соответствующих биметаллических структур, которые могут быть более активными за счёт синергетического действия двух металлов. Настоящий проект направлен на разработку новых каталитических материалов на основе оксидов CeO2 и Fe2O3 с нанесёнными в малом количестве серебром, платиной и иридием. Особое внимание в работе уделяется стабилизации активных компонентов в высокодисперсном состоянии (субнанометровые частицы, кластеры и отдельные атомы – single-atom), особенностям взаимодействия металл-носитель и регулирования силы этого взаимодействия для управления каталитическими свойствами, а также синергетическому действию двух металлов (Ag-Pt и Ag-Ir) в составе биметаллических катализаторов. На втором этапе работ проведён синтез серий оксидных CeO2, Fe2O3 и смешанных оксидных Ce-Fe носителей, а также монометаллических Ag, Pt, Ir и биметаллических Ag-Pt и Ag-Ir катализаторов на их основе при варьировании способа получения (соосаждение, цитратный метод, методы пропитки и метод восстановительной пропитки) и соотношения металлов. Показано, что смешанные системы характеризуются более развитой пористой структурой, по сравнению с индивидуальными оксидами CeO2 и Fe2O3, а также более высокой дефектностью основной формирующейся фазы – cubic-CeO2, за счёт уменьшения размером её кристаллитов, встраивания ионов Fe, Ag и Ir в кристаллическую структуру. Увеличение дефектности фазы СеО2, а также образование дополнительных межфазных границ оксид-оксид и оксид-металлы приводит к увеличению реакционной способности систем и росту активности как в окислительных, так и восстановительных процессах. Показан синергетический эффект в биметаллических Ag-Pt катализаторах, нанесённых на «инертный» носитель, в роли которого выступает мезопористый упорядоченный оксид кремния МСМ-41, выраженный в увеличении активности биметаллических Ag-Pt катализаторов в реакции восстановления 4-нитрофенола в водных растворах при комнатной температуре и атмосферном давлении по сравнению с монометаллическими Ag и Pt катализаторами. Результаты опубликованы в Журнале неорганической химии (Russian Journal of Inorganic Chemistry, https://link.springer.com/article/10.1134/S0036023624602356 ). Аналогичный синергетический эффект обнаружен для биметаллических Ag-Ir катализаторов, нанесённых на CeO2, модифицированный оксидов железа. При этом показано, что Ag и Ir стабилизированы на поверхности преимущественно в виде частиц размером менее 1 нм, кластеров, а также single-atom центров. Результаты опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials (Q1, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.5c01181). Полученные результаты имеют большое значение для разработки катализаторов экологического назначения: очистки вод от токсичных нитроароматических соединений, очистки воздуха и сбросовых газов предприятий от летучих органических соединений.

Публикации