Разработка СО2-нейтральной технологии получения полифункциональных катализаторов на основе металлов с разной электроотрицательностью для СВЧ-пиролиза твердого органического сырья

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 24-79-10113

НазваниеРазработка СО2-нейтральной технологии получения полифункциональных катализаторов на основе металлов с разной электроотрицательностью для СВЧ-пиролиза твердого органического сырья

Руководитель Шаненков Иван Игоревич, Кандидат технических наук

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

Конкурс №98 - Конкурс 2024 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; 09-401 - Энергетические системы на органическом топливе

Ключевые слова Органические отходы, биомасса, СВЧ-пиролиз, генераторный газ, катализаторы, функциональные материалы, наноматериалы, оксиды металлов, дуговой разряд

Код ГРНТИ61.31.55

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка суверенных ресурсоэффективных и углерод-нейтральных технологий, базирующихся на использовании возобновляемых источников энергии, и, в частности биомассы, является актуальной задачей в связи с необходимостью вовлечения этих потенциально неограниченных и восполняемых запасов в энергетическую деятельность и снижения воздействия на окружающую среду. Традиционные способы термической переработки характеризуются высоким энергопотреблением и наличием балласта в генерируемом газовом продукте, что нивелирует преимущества их использования. В этой связи всё большую популярность набирает СВЧ-переработка органического сырья, которая обеспечивает получение высококалорийных газовых смесей и жидких топлив. Однако не все известные виды биомассы пригодны для такой переработки, что обусловлено особенностями их органического и неорганического состава и взаимодействия с СВЧ-излучением. Для решения этой проблемы применяются различные катализаторы, в основном, из ферромагнитных металлов и их оксидов, получение которых осуществляется зачастую традиционными методами, не позволяющими достичь углеродной нейтральности вcледствие многостадийности, высоких временных и энергозатрат. В рамках проекта предлагается разработать научно-технические основы СО2-нейтральной технологии получения дисперсных полифункциональных катализаторов на основе металлов с разной электроотрицательностью и их оксидов в импульсной плазме дугового разряда при использовании углекислого газа в качестве окислителя. Такой подход, как ожидается, позволит осуществлять получение требуемых катализаторов за счёт попутной утилизации части СО2. Разложение СО2 будет осуществляться при использовании импульсной плазменной технологии, обеспечивающей генерацию высоких давлений и температур, а также ударных волн, что позволяет значительно ослабить энергию связи молекул СО2 и использовать их потенциал для окислительных реакций. Синтез и применение таких катализаторов на основе металлов с разной электроотрицательностью позволит не только осуществить выбор наилучших составов с позиции полифункционального воздействия непосредственно на процесс СВЧ-переработки (увеличение теплоты сгорания топливного газа, снижение общего энергопотребления, низкий выход СО2), но и подобрать варианты композиций, которые дополнительно будут способствовать достижению общей СО2-нейтральности подхода. Предложенное решение является принципиально новым с научной точки зрения, поскольку в литературных данных не обнаружены попытки получения дисперсных функциональных материалов, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве катализаторов СВЧ-пиролиза, при сопутствующей утилизации углекислого газа. Таким образом, в результате реализации проекта будут: 1) Разработаны научно-технические основы получения металлсодержащих дисперсных материалов в среде углекислого газа плазмодинамическим методом за счет использования электродных систем из металлов с разной электроотрицательностью (W, Cu, Fe, Ti, Al, Zr). 2) Получены полифункциональные катализаторы различного состава на основе металлсодержащих дисперсных материалов, синтезированных плазмодинамическим методом в среде углекислого газа, обеспечивающие повышение эффективности термической переработки органического сырья (снижение энергозатрат и увеличение выхода горючих газообразных компонентов) и снижение выхода СО2; 3) Определены оптимальные составы катализаторов СВЧ-переработки органического сырья (в том числе гибридные металлсодержащие дисперсные материалы) с позиции обеспечения общей СО2-нейтральности предлагаемого подхода. Решение указанных выше задач может создать весомый научный и технологический задел для перехода на углеродно-нейтральные технологии термической переработки органического сырья за счёт вовлечения собственных биоресурсов. Результаты проекта буду опубликованы в ведущих российских и зарубежных журналах (не менее 10 публикаций), а также будет подана 1 заявка на РИД.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках реализации отчетного периода работ по проекту осуществлены исследования процессов плазмодинамического синтеза дисперсных оксидосодержащих материалов, полученных при распылении металлической эрозионной импульсной плазмы (W, Cu, Fe, Al, Ti, Zr) в среду углекислого газа, а также СВЧ-пиролиза органического сырья, в роли которого рассмотрены 7 видов биомассы в виде отходов деятельности агропромышленного и лесоперерабатывающего комплексов. Проведенные работы объединены общей целью последующего достижения итоговой углеродной нейтральности как процесса получения дисперсных оксидсодержащих продуктов, планируемых к использованию в качестве полифункциональных катализаторов СВЧ-пиролиза для снижения удельных энергозатрат, так и процесса термической деструкции органического сырья под действием микроволнового излучения с целью получения энергетически ценной продукции за счёт утилизации выбранных видов отходов. В части исследования плазмодинамического синтеза дисперсных материалов в среде углекислого газа произведена оценка применимости технологии для конверсии СО2, разложение которого приводит к высвобождению кислорода и окислению распыляемых металлических частиц. Полученные результаты убедительно демонстрируют принципиальную возможность генерации, ускорения и распыления эрозионной плазмы во всех выбранных металлических системах (W, Cu, Fe, Al, Ti, Zr) в среду СО2 с последующим формированием оксидов данных металлов. Показано, что изменение режимов работы установки существенно влияет на характеристики наработки дисперсных продуктов синтеза, процесс оксидообразование и степень конверсии СО2. Одним из весомых преимуществ реализации такого процесса является доказанная возможность формирования метастабильных кубических оксидных фаз в системах с алюминием и вольфрамов, а также Магнели-фаз в системе Ti-O, что обусловлено импульсным высокоэнергетическим характером процесса. Подробным образом исследованы фазовый состав и структура получаемых продуктов и сделаны выводы о том, что синтез в системах с Al, Ti и W обеспечивает формирование монокристаллических наноразмерных частиц практически полностью представляющих собой оксидные соединения, что также подтверждает возможность конверсии СО2 в рассматриваемом процессе. Тщательная интерпретация совокупности данных по степени конверсии СО2, оксидообразованию, характеристикам продуктов синтеза, электрофизическим свойствам позволила выявить наиболее перспективные системы, которые будут исследоваться в дальнейшем для достижения заявленных целей проекта: W-O, Fe-O, Al-O, Ti-O. В части работ по СВЧ-пиролизу биомассы, подробно изучены характеристики исходных проб, проведены натурные эксперименты с использованием установки СВЧ-пиролиза оригинальной конструкции, по результатам которых составлены материальные балансы, определены характерные времена протекания процесса, проанализированы характеристики получаемого газа и сделана оценка энергетических затрат переработки. На основе полученных результатов определены виды биомассы с низкой степенью взаимодействия с СВЧ-излучением (сосновые опилки, свекловичный жом и рисовая шелуха), которые будут рассмотрены в качестве объектов исследования на дальнейших этапах выполнения проекта. Результаты работы апробированы на трех всероссийских и международных научных мероприятиях, доклады на которых отмечены именными и степенными дипломами. По результатам выполнения проекта опубликована 1 статья в периодическом издании «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов», индексируемого базами данных РИНЦ, RSCI и Scopus. Подготовлены и направлены в журналы первого квартиля (Q1) по WoS/Scopus 2 статьи (Journal of anaytical and applied pyrolysis and Journal of Alloys and Compounds).

Публикации

1. Шаненков И.И., Никитин Д.С., Насырбаев А.Р., Циммерман А.И., Сивков А.А. Синтез Магнели-фаз в высокоскоростной струе электроразрядной плазмы Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов., Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. –2024. –Т. 335. –No 11. –С. 185–196. (год публикации - 2024)
10.18799/24131830/2024/11/4847

Аннотация результатов, полученных в 2026 году
В рамках реализации отчетного периода работ по проекту продолжены исследования процессов плазмодинамического синтеза дисперсных оксидосодержащих материалов, полученных при распылении металлической эрозионной импульсной плазмы (W, Fe, Al, Ti) в среду углекислого газа и проведены оптимизационные исследования с целью определения возможности управления фазовым и гранулометрическим составом, а также достижения максимальной степени конверсии СО2. Для достижения поставленных целей была актуализирована методика синтеза и модернизирован экспериментальный стенд для расширения возможностей изменения режимных и энергетических параметров рабочего цикла. Проведенные оптимизационные исследования показали, что варьирование режимов работы установки существенно влияет на производительность системы по электроэрозионной наработке и формированию конечного дисперсного продукта, процесс оксидообразование и степень конверсии СО2. Итогом проведенных работ и тщательных аналитических исследований дисперсных продуктов стала разработка рекомендаций по управляемому синтезу оксидосодержащих материалов с контролируемым фазовым и гранулометрическим составом в рассматриваемых системах Al-O, Fe-O, Ti-O, W-O при распылении металлсодержащей эрозионной плазмы в среду углекислого газа. Совокупность полученных данных позволила установить наиболее благоприятные режимы как с позиции максимальной производительности, так и с позиции максимальной конверсии СО2, а также оценить углеродную емкость технологии плазмодинамического синтеза, принимая во внимание энергозатраты на реализацию процесса, и ранжировать материалы по их углеродному следу. Важным этапом работ стала оценка каталитической активности синтезированных дисперсных материалов при их введении в состав органического сырья в процессе СВЧ-пиролиза. В качестве исследуемой биомассы были выбраны материалы (сосновые опилки, свекольный жом и рисовая шелуха ), которые плохо подвержены воздействию СВЧ-излучения и требуют высоких энергозатрат на утилизацию предложенным способом, а также скорлупа кедровых орехов для оценки каталитических эффектов, наблюдаемых при добавке синтезированных материалов. Итогом работ стало формирование базы данных о материальных балансах 4 видов биомассы при различном содержании катализаторов (микроволновых поглотителей), характеристиках получаемых продуктов пиролиза (состав пиролизного газа), каталитических эффектах в части уменьшения времени инициирования процесса и влиянии добавок дисперсных продуктов синтеза на снижение энергетических затрат процесса переработки. Произведена оценка энергоэффективности для продемонстрировавших себя наилучшим образом составов дисперсных материалов (на основе W-O и Ti-O) и показаны преимущества их использования с позиции универсального индекса EROEI, а также потенциального снижения выбросов СО2 при генерации энергии в сравнении с каменным углем. Результаты работ позволили детально оценить предлагаемый двухстадийный подход с позиции фундаментальных основ его реализации и предложить дальнейшие направления исследований, которые преимущественным образом будут сконцентрированы на использовании совокупности лучших свойств исследуемых материалов за счет формирования гибридных композитов. По результатам выполнения второго года проекта опубликовано 6 статьей, включая 3 в журналах первого квартиля Scopus/WoS (Q1). Достигнутые научные результаты также представлены на 6 всероссийских и международных научных мероприятиях, в том числе в виде приглашенных пленарных докладов. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту: 1. https://news.tpu.ru/news/archive/uchenye-tpu-nauchilis-nastraivat-svoystva-keramiki-iz-magnitnykh-mikrosfer/ 2. https://scientificrussia.ru/articles/svetlaa-storona-uglekislogo-gaza-kak-nauka-izvlekaet-polzu-iz-promyslennyh-vybrosov

Публикации

1. Роман Табакаев, Иван Калинич, Александр Циммерман, Мария Гайдабрус, Андрей Мостовщиков, Иван Шаненков Intensification of microwave pyrolysis of hard coal by adding microwave absorbers based on iron and copper Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Volume 191, P. 107225 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jaap.2025.107225

2. Иван Шаненков, Александр Циммерман, Артур Насырбаев, Дмитрий Никитин, Александр Ивашутенко, Искандер Жумабаев, Юлия Шаненкова, Александр Сивков, Цзюньчжи Ли, Вэй Хань Spark plasma sintering of highly magnetic Fe3O4 and CoFe2O4 ceramics from hollow spheres synthesized by thermal plasma spraying Materials Characterization, Volume 230, Part A, P. 115744 (год публикации - 2025)
10.1016/j.matchar.2025.115744

3. И.И. Шаненков, Д.С. Никитин, А. Насырбаев, Ю.Л. Шаненкова, А.А. Сивков Плазмодинамический синтез нанодисперсного кубического оксида вольфрама в среде углекислого газа Письма в Журнал технической физики, Т. 51. – №. 22. – С. 3-7. (год публикации - 2025)
10.61011/PJTF.2025.22.61575.20417

4. Никитин Д.С., Шаненков И.И., Насырбаев А.Р., Шаненкова Ю.Л., Сивков А.А. Получение порошков меди и металломатричных композитов с медной матрицей в плазме дугового разряда Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов., Т. 337. - № 2. - С. 149-160. (год публикации - 2026)
10.18799/24131830/2026/2/5232

5. Шаненков И.И., Насырбаев А., Шаненкова Ю.Л., Никитин Д.С. Плазмодинамический синтез ультрадисперсных материалов системы Al-Mg-O в среде углекислого газа ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ КОНСТРУКЦИОННОГО И ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ // Сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции. Издательство: Национальный исследовательский Томский политехнический университет.. Томск, 2024. , Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения. Сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции. Томск, 2024. С. 236-238. (год публикации - 2024)

6. Никитин Д.С, Насырбаев А., Шаненкова Ю.Л., Сивков А.А., Ли Ц., Хань В., Шаненков И.И. Synthesis of copper metal matrix composites reinforced with hard carbides via in-situ and ex-situ thermal plasma spraying Composites communications, Т. 61 - С. 102680 (год публикации - 2026)
10.1016/j.coco.2025.102680

7. Шаненков И. И., Циммерман А. И., Насырбаев А. Р., Жумабаев И. С., Ивашутенко А. С., Никитин Д. С., Сивков А. А. Синтез дисперсных оксидов железа с управляемыми магнитными свойствами в импульсной плазме дугового разряда ИЗВЕСТИЯ СПБГЭТУ ЛЭТИ, Т. 18. № 10. С. 108-119. (год публикации - 2025)
10.32603/2071-8985-2025-18-10-108-119

8. Табакаев Р.Б., Калинич И.К., Шаненков И.И. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ СВЧ-ПИРОЛИЗА БИОМАССЫ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ПОРОШКАМИ ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА Сборник докладов Всероссийской конференции с международным участием "XLI Сибирский теплофизический семинар", посвященной 75-летию академика РАН Алексеенко Сергея Владимировича. Новосибирск. 2025., В сборнике: XLI Сибирский теплофизический семинар. Сборник докладов Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 75-летию академика РАН Алексеенко Сергея Владимировича. Новосибирск. 2025. С. 49. (год публикации - 2025)

9. Никитин Д. С., Шаненков И. И., Насырбаев А. Р., Циммерман А. И., Сивков А. А. ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКОВ КАРБИДОВ И МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ В ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА IX СТАВЕРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ. Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Красноярск: Сибирский федеральный университет. 2025, В сборнике: IX Ставеровские чтения. Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Красноярск, 2026. С. 89-90. (год публикации - 2026)

10. Циммерман А.И., Насырбаев А.Р., Никитин Д.С. ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ОКСИДОВ ВОЛЬФРАМА В СРЕДЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК. Сборник научных трудов XXII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: в 7-ми томах. Томск, 2025, В сборнике: Перспективы развития фундаментальных наук. сборник научных трудов XXII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: в 7-ми томах. Томск, 2025. С. 303-305. (год публикации - 2025)

11. Мокрицкий В.С., Циммерман А.И., Насырбаев А.Р. ПОЛУЧЕНИЕ НАНОДИСПЕРСНОГО КУБИЧЕСКОГО ОКСИДА ВОЛЬФРАМА В СРЕДЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА МЕТОДОМ ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА БУТАКОВСКИЕ ЧТЕНИЯ. Сборник статей V Всероссийской с международным участием молодёжной конференции. Томск, 2025. Издательство: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск., В сборнике: Бутаковские чтения. Сборник статей V Всероссийской с международным участием молодёжной конференции. Томск, 2025. С. 413-416. (год публикации - 2025)

12. Шаненков И.И., Сивков А.А., Жумабаев И.С., Циммерман А.И. PLASMA DYNAMIC SYNTHESIS OPTIMIZATION FOR ENHANCING THE PROCESS PRODUCTIVITY 17th International Conference “Gas Discharge Plasmas and Their Applications” GDP 2025 (Ekaterinburg, September 8–12, 2025): Abstracts. – Ekaterinburg: IEP UB RAS, 2025., В сборнике: 17th International Conference “Gas Discharge Plasmas and Their Applications” GDP 2025 (Ekaterinburg, September 8–12, 2025): Abstracts. – Ekaterinburg: IEP UB RAS, 2025. – 275 p. (год публикации - 2025)

13. Калинич И, Табакаев Р.Б. СВЧ-переработка древесины в водородсодержащий газ: повышение эффективности за счет добавления микроволновых поглотителей на основе железа БУТАКОВСКИЕ ЧТЕНИЯ // Сборник статей IV Всероссийской с международным участием молодёжной конференции. Издательство: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, 2024, В сборнике: Бутаковские чтения. Сборник статей IV Всероссийской с международным участием молодёжной конференции. Томск, 2024. С. 444-447. (год публикации - 2024)