СВЧ-синтез гибридных металлических и оксидных наночастиц и их применение в решении проблем экологии в качестве катализаторов, мембран и сорбентов

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 23-73-30007

НазваниеСВЧ-синтез гибридных металлических и оксидных наночастиц и их применение в решении проблем экологии в качестве катализаторов, мембран и сорбентов

Руководитель Кустов Леонид Модестович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук , г Москва

Конкурс №81 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» 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 CВЧ-активация, наночастицы, наноматериалы, гибридные наноматериалы, металл-органические каркасы, биметаллические наночастицы, катализ, гидрирование, дегидрирование, водород, адсорбенты, биомасса, сенсоры, мембраны

Код ГРНТИ31.15.28

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Наночастицы металлов и оксидов, гибридные наноматериалы востребованы в современных технологиях (катализ, сорбенты, сенсоры, мембраны). Применение СВЧ-активации в приготовлении наночастиц различной природы позволяет получать узкое распределение частиц, сдвинутое в область меньших размеров в сравнении с традиционными методами синтеза. Такие частицы обладают более высокой активностью и селективностью в каталитических и сорбционных процессах. Разработка эффективных методов СВЧ-активированного синтеза и получения разнообразных наночастиц, включая моно- и биметаллические и оксидные наночастицы, частицы типа ядро-оболочка с ядром из неблагородного металла/оксида (Fe,Cu,Ni,Co,Ag) и оболочкой или декорирующими частицами благородного металла (Pt, Pd, Au, Rh, Ru, Ir), металл-органические каркасы, смешанные оксидные фазы, углеродные материалы, перспективные для применения в катализе, включая переработку отходов в ценные продукты, сорбцию и разделение газов, в мембранах и сенсорах, позволит регулировать активность и селективность каталитических и адсорбционных процессов, снизить содержание критических металлов и энергопотребление на приготовление наноматериалов. В условиях СВЧ-обработки в мягких условиях будет достигаться контролируемое разложение прекурсоров и восстановление металла, особенно с использованием явления спилловера водорода. Материалы такого типа будут использоваться в процессах селективной конверсии компонентов природного газа и биогаза (получение метанола, утилизация СО2), тяжелых нефтяных фракций (гидрокрекинг, раскрытие циклов, гидрирование), биомассы и получаемых из нее соединений (получение водорода, многоатомных спиртов, топлив, фенолов, олефинов), восстановлении оксидов азота и серы в топочных газах, хранении водорода в обратимых процессах гидрирования-дегидрирования жидких субстратов. Рабочая гипотеза проекта, основанная на нашем предыдущем опыте: использование микроволновой активации при получении частиц с ядром из неблагородного металла и оболочкой из благородного металла приведет к (1) образованию очень мелких (1-2 нм) частиц, (2) узкому распределению частиц по размерам, (3) повышенной активности/селективности в реакциях гидрирования, конверсии биомассы и отходов, восстановлении оксидов азота и серы в топочных газах и других процессах, (4) повышенной селективности по отношению к СО при использовании наночастиц в сенсорах. Мы будем исследовать не только механизм дипольной поляризации, но и механизм поверхностной проводимости и механизм Максвелла-Вагнера микроволнового нагрева, а также поляризацию диссоциативно адсорбированного (атомарного) водорода на поверхности частиц. Разработанные гибридные наноматериалы будут представлять собой наночастицы металлов и оксидов (Fe, Ni, Co, Cu в сочетании с нанесенными поверх них Au, Pt или Pd) и металл-органические каркасы, как потенциальные носители для наночастиц. Применение эффекта спилловера водорода при получении наночастиц - это новая идея, вытекающая из предыдущих исследований коллектива систем Pt/CeO2-ZrO2, которые оказались чрезвычайно активными и селективными в реакциях гидрирования. Для выявления свойств наночастиц будут использоваться методы, включающие ИКСДР и УФ-видимую спектроскопию, SEM, TEM, DLS, XRD, XPS, EDX. Механизмы СВЧ-синтеза будут подробно изучены при изменении температуры, мощности СВЧ излучения, частоты. Материалы ядро-оболочка с кремниевым ядром и биметаллической оболочкой также будут синтезированы с учетом опыта коллектива по синтезу однородных 2-3 нм наночастиц Si. Некоторые из синтезированных материалов проявят выдающиеся каталитические свойства благодаря присутствию электроно-дефицитных или электроно-избыточных центров. Углеродные и MOF-сорбенты также будут синтезированы при MW-активации. В результате выполнения проекта будут созданы основы технологии производства наноматериалов для применения в решении экологических проблем очистки объектов окружающей среды и переработки отходов в ценные продукты.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Журавлева В.С., Шестеркина А.А. , Стрекалова А.А., Капустин Г.И., Дунаев С.Ф., Кустов А.Л. МИКРОВОЛНОВЫЙ СИНТЕЗ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ КАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ГИДРИРОВАНИЯ ФЕНИЛАЦЕТИЛЕНА ДО СТИРОЛА Журнал физической химии, 97(10), 2120–2124 (год публикации - 2023)
10.31857/S004445372310028X

2. Смолин А.В., Новаковская Ю.В., Сеферян М.А., Пеньков Н.В., Иванов А.В., Смолин С.А., Кустов Л.М. Resonance and relaxation effects governing the sorption of O2 and CO2 in deionized water under dynamic conditions at 21 ± 1 ◦C Journal of Molecular Liquids, V. 391, P. 123254 (год публикации - 2023)
10.1016/j.molliq.2023.123254

3. Лебедева О.К., Культин Д.Ю., Кустов Л.М. Advanced research and prospects on polymer ionic liquids: trends, potential and application Green Chemistry, 25, 9001-9019 (год публикации - 2023)
10.1039/d3gc02131a

4. Шестеркина А.А., Кириченко О.А., Ткаченко О.П., Кустов А.Л., Кустов Л.М. Liquid-Phase Partial Hydrogenation of Phenylacetylene at Ambient Conditions Catalyzed by Pd-Fe-O Nanoparticles Supported on Silica Nanomaterials, 13, 2247 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13152247

5. Бельдова Д.A., Медведев A.A., Кустов A.Л., Машкин M.Ю., Кирсанов В.Ю., Высотская И.В., Соколовский П.В., Кустов Л.М. CO2-Assisted Sugar Cane Gasification Using Transition Metal Catalysis: An Impact of Metal Loading on the Catalytic Behavior Materials, 16, 5662 (год публикации - 2023)
10.3390/ma16165662

6. Кузнецова И., Лебедева O., Культин Д., Перова Н., Калмыков K., Чернавский П., Перов Н., Кустов Л. Is a 2D Nanostructured Surface Capable of Changing the Corrosion and Magnetic Properties of an Amorphous Alloy? International Journal of Molecular Sciences, 24, 13373 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms241713373

7. Кустов Л., Виканова К. Synthesis of Metal Nanoparticles under Microwave Irradiation: Get Much with Less Energy Metals, 13, 1714 (год публикации - 2023)
10.3390/met13101714

8. Кузнецова И.И., Лебедева О.К., Культин Д.Ю., Перов Н.С., Кустов Л.М. ВЛИЯНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ НА КОРРОЗИОННУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА АМОРФНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА Co-Si-Fe-Cr-Al Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах (год публикации - 2024)

9. Лебедева. О., Культин Д., Кустов Л. Polymeric ionic liquids: Here, there and everywhere European Polymer Journal, 3 December 2023, 112657 (год публикации - 2023)
10.1016/j.eurpolymj.2023.112657

10. Каленчук А.Н., Богдан В.И., Дунаев С.Ф., Кустов Л.М. Применение углеродных материалов в каталитических системах гидрирования-дегидрирования жидких органических носителей водорода Известия Академии наук. Серия химическая (год публикации - 2024)

11. Макова А.С., Тимофеева М.Н., Ткаченко О.П., Панченко В.Н., Леонов А.В., Капустин Г.И., Давшан Н.А., Калмыков К.Б., Кустов А.Л., Тер-Акопян М.Н., , Кустов Л.М. Effect of microwave irradiation on the synthesis of zeolite with ferrierite structure: Study of acid and catalytic properties Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, V. 703. P. 135321 (год публикации - 2024)
10.1016/j.colsurfa.2024.135321

12. Виканова К., Кустов А., Махов Е., Тарасов А., Ткаченко О., Дунаев С., Кустов Л. Selective conversion of ethylene to propylene over rhenium-containing heterogeneous catalysts Functional Materials Letters, V. 17. No. 06. P. 2451033-263 (год публикации - 2024)
10.1142/S1793604724510330

13. Землянский П.В., Кустов А.Л., Капустин Г.И., Давшан Н.А., Калмыков К.Б., Чернышев В.В., Кустов Л.М. Kinetics of N2O decomposition over bulk and supported LaCoO3 perovskites Mendeleev Communications, V.34. P. 653–655 (год публикации - 2024)
10.1016/j.mencom.2024.09.009

14. Сингх О., Саманта Ч., Кустов Л., Пинар Л. Zeolite Catalysts for Biomass Valorization: Tuning of active sites for promoting reactivity Catalysis Reviews - Science and Engineering, P. 1–103 (год публикации - 2024)
10.1080/01614940.2024.2387535

15. Помогайло С.И., Чепайкин Е.Г., Бубело О.Н., Юссупкалиева Р.И., Кустов Л.М. Magnetic Nanocomposites Based on Iron Oxides as Catalysts of Oxidation Reactions Crystals, V. 14, P. 1031 (год публикации - 2024)
10.3390/cryst14121031

16. Гордеева Н.А., Шестеркина А.А., Виканова К.В., Кустов А.Л. Naphthalene and its derivatives hydrogenation for hydrogen storage: Comparative analysis of the role of noble and non-noble metal catalysts – A review International Journal of Hydrogen Energy, V. 69, P. 113-121 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.04.340

17. Дейко Г.С., Исаева В.И., Глухов Л.М., Чернышев В.В., Архипов Д.А., Капустин Г.И., Кравцов Л.А., Кустов Л.М. Selective adsorption of ethane and methane on zeolite-like imidazolate frameworks ZIF-8 and ZIF-67: effect of lattice coordination centers Adsorption, V. 30(6). P. 1239–1249 (год публикации - 2024)
10.1007/s10450-024-00505-3

18. Макова А.С., Панченко В.Н., Болотов В.А., Давшан Н.А., Мишин И.В., Тимофеева М.Н., Шефер К.И., Тер-Акопян М.Н., Кустов Л.М., Джунг С.Х. Microwave-assisted synthesis of solketal from glycerol and acetone in the presence of SAPO-34 and SAPO-5 Microporous and Mesoporous Materials, V. 381. P. 113361 (год публикации - 2025)
10.1016/j.micromeso.2024.113361

19. Землянский П., Морозов Д., Капустин Г., Давшан Н., Калмыков К., Чернышев В., Кустов А., Кустов Л. The influence of the synthesis route and microwave activation on the CuFe2O4 spinel mixed oxide catalysts activity in N2O decomposition Ceramics International, V. 50(18), P. 34081–34090 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ceramint.2024.06.227

20. Дейко Г.С., Кравцов Л.А., Глухов Л.М., Давшан Н.А., Калмыков К.Б., Чернышев В.В., Мурашова Е.В., Кустов Л.М. Synthesis and adsorption properties of new calcium metal-organic framework (Ca-MOF) ZIOC-10 based on a new carbazole linker Microporous and Mesoporous Materials, V. 373. P. 113120 (год публикации - 2024)
10.1016/j.micromeso.2024.113120

21. Лебедева О., Захаров В., Кузнецова И., Культин Д., Чернышев В., Калмыков К., Савилов С., Дунаев С., Асланов Л., Кустов Л. Green Synthesis of the Triazine Derivatives and their Application for the Benign Electrocatalytic Reaction of Nitrate Reduction to Ammonia Chemistry - A European Journal, V. 30(55). P. e202402075 (год публикации - 2024)
10.1002/chem.202402075

22. Тедеева М.А., Кустов А.Л., Баткин А.М., Гарифуллина Ч., Залятдинов А.А., Янг Д., Дай Я., Янг Я., Кустов Л.М. Catalytic systems for hydrogenation of CO2 to methanol Molecular Catalysis, V. 566. P. 114403 (год публикации - 2024)
10.1016/j.mcat.2024.114403

23. М.Н. Тимофеева, А.С. Макова, В.А. Болотов, В.Н. Панченко, Л.М. Кустов, В.Н. Пармон The Potential of Microwave Technology for Glycerol Transformation: A Comprehensive Review Catalysts, 2024, 14, 921 (год публикации - 2024)
10.3390/catal14120921

24. Кириченко О.А., Шувалова Е.В., Капустин Г.И., Давшан Н.А., Мишин И.В., Кустов Л.М. Reduction of Trinitrobenzene to Amines with Molecular Hydrogen over Chrysocolla-like Catalysts Catalysts, V. 14. P. 686 (год публикации - 2024)
10.3390/catal14100686

25. Кузнецова И.И., Лебедева О.К., Культин Д.Ю., Перов Н.С., Кустов Л.М. Effect of Surface Microstructure on the Corrosion Resistance and Magnetic Properties of an Amorphous Cobalt-Based Co–Si–Fe–Cr–Al Alloy Doklady Chemistry , V.514. P. 35-41 (год публикации - 2024)
10.1134/S0012500823700222

26. Зубков С.А., Финашина Е.Д., Захаров В.Н., Кустов Л.М. Characterization of Chromium Cations in CrAPO-5 Metal Aluminophosphate Crystals, V. 14. P. 758 (год публикации - 2024)
10.3390/cryst14090758

27. Земллянский П., Морозов Д., Капустин Г., Давшан Н., Ткаченко О., Калмыков К., Чернышев В., Кустов Л. Supported LaCoO3 perovskite-like oxides for N2O decomposition: The key role of the support nature and LaCoO3 content Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, V.698. P.134546 (год публикации - 2024)
10.1016/j.colsurfa.2024.134546

28. Кузнецова И., Лебедева О., Культин Д., Машкин М., Калмыков К., Кустов Л. Enhancing Efficiency of Nitrate Reduction to Ammonia by Fe and Co Nanoparticle-Based Bimetallic Electrocatalyst International Journal of Molecular Sciences, V. 25. P. 7089 (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25137089

29. Чепайкин Е.Г., Помогайло С.И., Ткаченко О.П., Шувалова Е.В., Кустов Л.М., Борщ В.Н., Кнерельман Е.И., Помогайло Д.А. Synthesis, Structure, and Catalytic Properties of Nanocomposites Based on Palladium, Copper(I) Oxide, and Magnetite Nanoparticles Embedded in a Nanocellulose Matrix Russian Journal of Physical Chemistry A, V. 98. Issuе 6. P. 1233-1240 (год публикации - 2024)
10.1134/S003602442470016X

30. Кириченко О.А., Кустов Л.М. Recent progress in development of supported palladium catalysts for dehydrogenation of heterocyclic liquid organic hydrogen carriers (LOHC) International Journal of Hydrogen Energy, V. 88. P. 97–119 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.09.147

31. Землянский П.В., Кустов А.Л., Тимофеева М.Н. Кустов Л.М. Microwave irradiation as an instrument for tuning of physicochemical and catalytic properties of MFe2O4 spinels Chemical Engineering and Processing Process Intensification, 208, 110138 (год публикации - 2024)
10.1016/j.cep.2024.110138

32. Лебедева О., Кузнецова И., Культин Д., Леонов А., Захаров М., Кустов А., Дворяк С., Кустов Л. Efficiency of the Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia: Do the Surface Nanostructures Play an Essential Role? Catalysts, 15, 666 (год публикации - 2025)
10.3390/catal15070666

33. Кузнецова И.И., Лебедева О.К., Культин Д.Ю., Кустов Л.М. Comparison of the Catalytic Properties of Pt and Co Cathodes for the Nitrite Reduction Reaction to Ammonia Russian Journal of Physical Chemistry A, 99(1), 105–110 (год публикации - 2025)
10.1134/S0036024424702698

34. Журавлева В.С., Шестеркина А.А., Стрекалова А.А., Виканова К.В., Кустов А.Л. Recent progress in selective liquid-phase hydrogenation of furfural on heterogeneous Ni-containing catalysts Green Synthesis and Catalysis, GRESC 345 (год публикации - 2025)
10.1016/j.gresc.2025.04.001

35. Вергун В.В., Веденяпина М.Д., Кулайшин С.А., Чернышев В.В., Ткаченко О.П., Ниссенбаум В.Д., Исаева В.И. Synthesizing Metal–Organic Framework UiO-66 Based on Polyethylene Terephthalate Wastes in MW Fields for Removing the Food Dye Tartrazine from Aqueous Solutions via Adsorption Russian Journal of Physical Chemistry A, 98(13), 3107–3115 (год публикации - 2024)
10.1134/S0036024424702352

36. Макова А., Ткаченко О., Капустин Г., Леонов А., Калмыков К., Прибытков П., Кустов А., Тер-Акопян М., Кустов Л.М. Influence of the Ferrierite Zeolite Synthesis Method on Physicochemical and Catalytic Characteristics in the N2O Decomposition Reaction Arabian Journal for Science and Engineering, 111262 (год публикации - 2025)
10.1007/s13369-025-10033-z

37. Финашина Е.Д., Ткаченко О.П., Картавова К.Е., Грейш А.А., Кустов А.Л., Давшан Н.А., Толкачев Н.Н., Кустов Л.М. Infuence of the Rh Nanoparticle Size and Rh Precursor Nature on Decalin Ring Opening over Rh/Al2O3 Catalysts Catalysis Letters, 155, 98 (год публикации - 2025)
10.1007/s10562-024-04925-2

38. Культин Д., Лебедева О., Кузнецова И.,. Кустов Л. Polymeric Ionic Liquids as Effective Biosensor Components Engineering Proceedings, 106, 4 (год публикации - 2025)
10.3390/ engproc2025106004

39. Макова А.С., Машкин М.Ю., Мишин И.В., Капустин Г.И., Ткаченко О.П., Калмыков К.Б., Кустов А.Л., Кустов Л.М. Synthesis of zeolites with a ferrierite structure by hydrothermal and solvothermal methods and their activity in N2O decomposition Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 727, 138472 (год публикации - 2025)
10.1016/j.colsurfa.2025.138472

40. Караваев А.А., Чередниченко К.А., Королева Е.Р., Панин А.А., Кустов Л.М. Synthesis of nanosized HZSM-5 zeolite under microwave irradiation: effect of the Si/Al ratio on the morphology, textural and acidic properties Mendeleev Commun, 35, 566–568 (год публикации - 2025)
10.71267/mencom.7751

41. Помогайло Д.И., Шувалова Е.В., Кнерельман Е.И., Ткаченко О.П., Чепайкин Е.Г., Помогайло Д.А., Кустов Л.М. A Pd-Cu nanosized catalyst supported on γ-Al2O3 for liquid-phase nitrobenzene hydrogenation Catalysis Letters, 155, 298 (год публикации - 2025)
10.1007/s10562-025-05136-z.

42. Землянский П., Морозов Д., Капустин Г., Давшан Н., Кармыков К., Чернышев В., Кустов А., Кустов Л. Correlations between synthetic conditions and catalytic activity of LaMO3 perovskite-like oxide materials (M: Fe, Co, Ni): The key role of glycine СhemPhysMater, 4, 165-178 (год публикации - 2025)
10.1016/j.chphma.2024.12.002

43. Шувалова Е.В., Помогайло С.И., Кнерельман Е.И., Джусупкалиева Р.И., Пугачева Е.В., Кустов Л.М. КАТАЛИЗАТОРЫ ГИДРИРОВАНИЯ НИТРОБЕНЗОЛА НА ОСНОВЕ ПАЛЛАДИЯ, НАНЕСЕННОГО НА ОПОКУ ИЛИ ДИАТОМИТ Нефтехимия, 65, № 6, 510–519 (год публикации - 2025)
10.31857/S0028242125060078

44. Михайлов М.Н., Кустов Л. М. МОДЕЛИРОВАНИЕ КООРДИНАЦИОННО НЕНАСЫЩЕННЫХ СТРУКТУР В СМЕШАННЫХ ОКСИДАХ Mg-Al КАК АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ РЕАКЦИЙ ДЕГИДРИРОВАНИЯ И ДЕГИДРАТАЦИИ ЭТАНОЛА Кинетика и катализ, том 65, № 4, с. 414–426 (год публикации - 2024)
10.31857/S0453881124040039

45. Янг Д., Янг Я., Финашина Е.Д., Ткаченко О.П., Тарасов А.Л., Кустов Л.М. Microwave-assisted lignin processing to produce synthesis gas and aromatic compounds New Journal of Chemistry, 49, 15264 (год публикации - 2025)
10.1039/D5NJ01637A

46. Караваев А.А., Капустин Г.И., Чередниченко К.И., Кустов Л.М. A novel method of the synthesis of hierarchical ZSM-5 zeolite in proton form Mendeleev Communications, 36, 98-100 (год публикации - 2026)
10.71267/mencom.7852

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработана энергоэффективная методология СВЧ-синтеза оксидных наночастиц на основе переходных металлов, включая FeОх, СoОх, NiОх, CuОх, ZnO, TiO2, MoOx, ZrO2, VOx, WOx, перовскитоподобные материалы LaMeO3, Me=Co, Fe, Ni, филлосиликаты, наносвитки, содержащие ионы меди, кобальта или никеля, позволяющая сократить время синтеза в 2-3 раза, получать наночастицы с узким распределением по размерам и с меньшим размером частиц, в сравнении с термическими и золь-гель методами, а также позволяющая использовать "зеленые" растворители – ионные жидкости. Для приготовления образцов в СВЧ-условиях использовали четыре метода: 1) для нанесенных систем образцы, приготовленные нанесением прекурсора на носитель, подвергали СВЧ-нагреву при температурах, выбранных на основании данных ТГА-ДТГ анализа, 2) для нанесенных систем также использовали гидротермальный метод синтеза в условиях СВЧ-нагрева при аутогенном давлении, 3) для ненанесенных оксидов (без носителя) использовали также новый метод «solution combustion», в котором концентрированный раствор прекурсора в воде помещается в емкости в СВЧ-печь и в течение 1-2 мин разогревается на высокой мощности до температуры взрывного выделения растворителя, сопровождающегося разложением прекурсора до оксида, 4) для ненанесенных образцов также использовали гидротермальный синтез оксидов в СВЧ-условиях под аутогенном давлением. В гидротермальных СВЧ-условиях были синтезированы также серии ненанесенных и нанесенных оксидных фаз типа шпинели CuFe2O4 и образцы цеолитоподобных материалов – феррьериты с разным модулем, феррьериты с нанесенным оксидом железа, титаносиликаты и силикоалюмофосфаты SAPO-34, SAPO-5. Установлено, что СВЧ-методики позволяют быстро и просто получать наночастицы оксидов металлов. Проведено физико-химическое исследование полученных оксидных наночастиц структурными и спектральными методами. Полученные оксидные наноматериалы исследованы в конверсии СО2 в синтез-газ, олефины и метанол, окислительном дегидрировании этана и пропана, получении карбоновых кислот взаимодействием СО2 с ацетиленами. Внимание было сконцентрировано на оксидах, наиболее интересных в указанных реакциях: Fe, Co, Ni, Cu – в гидрировании СО2, Mo и V – в окислительном дегидрировании этана и пропана и Cu – в карбоксилировании фенилацетилена. Наилучшие значения конверсии СО2 были получены на никельсодержащем образце, синтезированном в условиях СВЧ-нагрева. Основными продуктами реакции на медных катализаторах являлись СО, метан и метанол. Лучшие значения селективности образования метанола (60 - 80 %) при низких конверсиях СО2 были достигнуты для образца 5Cu/SiO2-СВЧ при 210 – 250 °С. Синтез V-Mo катализаторов окислительного дегидрирования этана с помощью СВЧ-нагрева обеспечивает образование более активной, но несколько менее селективной фазы. В карбоксилировании фенилацетилена наиболее активным оказался медьсодержащий образец на угле. Изучена активность полученных оксидных наночастиц в окислении СО и полном окислении летучих органических соединений. В окислении этанола конверсия 50% достигается при температурах от 140о до 270оС, образцы демонстрируют значительные различия в селективности окисления. На 5%Со/TiO2 во всем диапазоне температур не наблюдаются такие продукты, как кислота и СО. На образце 5%V/TiO2 уксусная кислота в измеримых количествах регистрируется при всех температурах. Образец 5%Мо/TiO2 демонстрирует измеримое образование СО при температурах выше 200оС.В условиях СВЧ нагрева конверсия этанола > 90% на перовскитном катализаторе достигается при сниженной на 20 – 40оС температуре. Феррит меди, синтезированный с использованием СВЧ-активации, показал в 2.5 – 3 раза более высокую удельную активность, по сравнению с образцом, полученным при термическом нагреве. Проведена оптимизация условий СВЧ-синтеза и состава образцов, а также оптимизация условий каталитического процесса. Значительной дезактивации не наблюдалось для большинства изученных катализаторов. Проведено физико-химическое исследование оксидных наночастиц после катализа. Исследованы электрофизические свойства ряда ионных жидкостей, в первую очередь, их способность нагреваться в СВЧ-полях. Ионные жидкости использованы как СВЧ-поглощающие среды для синтеза оксидных наноматериалов. Ионные жидкости греются очень быстро и до высоких температур 180-320оС даже при мощности всего 10 Вт. Синтезирован ряд оксидов в ионных жидкостях в СВЧ-режиме. Для СВЧ-синтезов использовали ионную жидкость BMIM-NTf2, которая продемонстрировала высокую скорость нагрева и достижение высокой температуры при низкой мощности СВЧ-излучения. Опубликовано (в пересчете на квартили) 30 статей в научных журналах, предпочтительно в журналах первого и второго квартилей. Организована и проведена школа-семинар по использованию СВЧ-излучения в приготовлении наноматериалов с участием около 50 участников и 12 ведущих ученых. Полученные результаты научных исследований представлены на конференциях по катализу (около 12 устных и стендовых докладов).

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Разработана методология СВЧ-синтеза биметаллических наночастиц. Для приготовления образцов биметаллических частиц в СВЧ-условиях использовали четыре метода: А) для нанесенных систем образцы, приготовленные нанесением прекурсоров на носитель, подвергали СВЧ-нагреву при температурах, выбранных на основании данных ТГ-ДТА анализа, Б) для нанесенных биметаллических систем также использовали гидротермальный метод синтеза в условиях СВЧ-нагрева при аутогенном давлении, В) для ненанесенных биметаллических оксидов (без носителя) использовали также новый метод «solution combustion», в котором концентрированный раствор прекурсоров в воде помещается в емкости в СВЧ-печь и в течение 1-2 мин разогревается на высокой мощности до температуры взрывного выделения растворителя, сопровождающегося разложением прекурсоров до смеси оксидов или отдельной фазы, содержащей оба металла, Г) для ненанесенных образцов также использовали гидротермальный синтез биметаллических оксидов в СВЧ-условиях под аутогенном давлением. Этот метод был наиболее широко использован для синтеза цеолитов различных структурных типов, а также гидросиликатов и наносвитков, содержащих Ni, Co, Fe, Cu в сочетании с Mg в качестве второго металла. Выбор композиции сделан на основе ранее полученных данных по активности и селективности биметаллических наночастиц в реакциях гидрирования диенов (пиперилен) – никель и медь, тройной связи углерод-углерод (фенилацетилен, бутиндиол) – медь, железо, кобальт и никель, нитро-групп – медь, никель, нитрилов – медь, железо, кобальт и никель, карбонильных соединений, включая альдегиды и кетоны с сопряженной двойной связью С=С – медь, железо, кобальт и никель. Наиболее интересными оказались катализаторы на основе неблагородного металла (Fe, Сo, Ni, Cu) и значительно сниженным содержанием (менее 0,2 вес. %) благородного металла: Pt, Au, Pd, Rh, Ru, или Ir. При синтезе и дальнейшем восстановлении образуются частицы сплава, а при последовательном нанесении - частицы ядро-оболочка или отдельные частицы каждого металла. Для получения цеолитных наночастиц в качестве реакционных сред для синтеза нанокатализаторов использованы ионные жидкости, которые обладают способностью разогреваться в СВЧ-полях и имеют высокие значения тангенса диэлектрических потерь – BMIM-тетрафторборат и BMIM-бистрифлатимид. Проведен СВЧ-синтез около 100 биметаллических образцов различной природы (смешанные оксиды, гидросиликаты со структурой хризоколлы или хризолита (наносвитки), цеолиты, восстановленные биметаллические наночастицы на носителях), содержащие Fe, Сo, Ni, Cu, Pt, Au, Ag, Pd, Rh, Ru, Ir. Наиболее детально изучены пары Fe-Ni, Cu-Ni, Pt-Ni, Au-Ni, Ag-Pd, Pd-Pt, Rh-Ir, Ni-Ru. Проведено физико-химическое исследование полученных биметаллических наночастиц структурными (XRD) и спектральными методами (ИКС, РФЭС), а также методом хемосорбции СО, Н2. Проведено исследование каталитической активности биметаллических наночастиц в гидрировании диенов (пиперилен), тройной связи углерод-углерод (фенилацетилен, бутиндиол), нитро-групп, нитрилов, карбонильных соединений, включая альдегиды и кетоны с сопряженной двойной связью С=С. Для исследования каталитической активности биметаллических наночастиц в гидрировании диенов (пиперилен) применяли частицы, содержащие никель и медь, в гидрировании тройной связи углерод-углерод (фенилацетилен, бутиндиол) наиболее интересны были медь, железо, кобальт и никель, в гидрировании нитро-групп также более детально изучены биметаллические частицы, содержащие медь, никель, в гидрировании нитрилов особый интерес представляли железо, кобальт и никель, а в гидрировании карбонильных соединений, включая альдегиды и кетоны с сопряженной двойной связью С=С исследованы частицы, содержащие платину. Проведено исследование каталитической активности биметаллических наночастиц в дегидрировании нафтенов (хранение водорода). В дегидрировании исследованы нанесенные системы с очень низким содержанием платины, включая Pt-Cr, Pt-Ni. Проведено исследование каталитической активности биметаллических наночастиц в раскрытии циклов. Для раскрытия циклов были выбраны наночастицы, содержащие Ir, Rh или Ru, а в качестве субстрата использовали либо циклогексан, либо декалин. Проведена оптимизация условий СВЧ-синтеза и состава образцов, оптимизация условий каталитического процесса. Варьировалась длительность синтеза –от десятков секунд до нескольких минут, что гораздо меньше, чем без использования СВЧ – до десятков и сотен часов. Варьировалась также частота СВЧ-излучения: 2,45, 4,0 или 6,0 ГГц и мощность СВЧ-излучения. Проведено физико-химическое исследование биметаллических наночастиц после катализа. Проведен СВЧ-синтез ковалентных органических каркасов на основе триазина и катализаторов на их основе. Ковалентный органический каркас CTF-1 на основе триазина был получен путем полимеризации 1,4-дицианобензола, катализируемой хлоридом цинка в условиях СВЧ-нагрева. Материал CTF-1 был дополнительно модифицирован переходным металлом (Cu) и впервые исследован в гидрировании различных субстратов. Проведен СВЧ-синтез наноразмерных цеолитов и цеолитоподобных материалов. . Были впервые синтезированы наноразмерные или мезопористые цеолиты типов MFI, SAPO-5, FER, FAU, MOR, Fe-MFI, TS-1. Синтез в СВЧ-условиях значительно сокращает время синтеза – с десятков часов до 10-60 минут и позволяет получать наночастицы с узким распределением частиц по размерам. Синтезированы магнитные наночастицы с ядром или оболочкой магнетита. Наночастицы магнетита были покрыты полимерной пленкой, образованной при поликонденсации аминокислотных мономеров. Во втором, ядром служили наночастицы карбидов металлов (W,Mo, Nb, Ta), на которые осаждали гидроксид железа и после прокалки получали магнитные наночастицы. Исследовано окисление летучих органических веществ - толуола, диметилдисульфида, диэтиламина и метантиола, проведено сравнение в термическом и СВЧ-каталитическом процессе на двух биметаллических катализаторах – LaCoO3/ZrO2, Au-Ni/ZrO2. Были установлены эффекты полного удаления этих примесей из воздуха в мягких условиях. Синтезированы материалы со структурой ядро-оболочка с ядром карбида металла и металлической/оксидной/полимерной оболочкой. Ядром служили наночастицы карбидов металлов (W,Mo, Nb, Ta), на которые осаждали полимерную пленку, образованную при поликонденсации аминокислотных мономеров. Оптимизация условий СВЧ-синтеза и состава образцов, оптимизация условий каталитического процесса позволили предложить наиболее эффективные катализаторы с улучшенными свойствами (активность, селективность) и сниженным содержанием ценных компонентов для использования в промышленных процессах, в частности, в гидрировании различных субстратов и хранении водорода.

Публикации