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 25-79-20057
НазваниеЛазерные и сверхкритические флюидные технологии для инициирования, диагностики и контроля плазменно-химических и каталитических реакций и создания новых композиционных материалов
Руководитель Минаев Никита Владимирович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" , г Москва
Конкурс №108 - Конкурс 2025 года на получение грантов РНФ по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-204 - Равновесие и кинетика процессов в химически реагирующих системах
Ключевые слова Лазерное индуцирование реакций, механизмы каталитических реакций, гидрирование СО2, термодинамически неравновесные процессы, абляция, СКФ, сверхкритический диоксид углерода
Код ГРНТИ31.15.28
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В последние годы наблюдается значительное повышение интереса к разработке эффективных каталитических систем, что обусловлено их ключевой ролью в гетерогенном катализе. Гетерогенно-каталитические реакции становятся все более актуальными в контексте современных тенденций развития каталитической науки и технологий, в том числе в таких промышленных процессах, как нефтегазохимия, гидрокрекинг, гидрооблагораживание нефтей, глубокая переработка метанового и “жирного” С3-С4 газов, утилизация парниковых газов: СО2, N2O, CH4 и, безусловно, мейнстримного направления науки и инновационных технологий - водородной энергетики. В последние годы также возросла необходимость решения комплекса научно-технических задач, связанных с проведением физико-химических каталитических процессов и разработкой новых эффективных каталитических систем на основе доступных отечественных ресурсов.
Для глубокого понимания основных закономерностей и кинетики каталитических процессов критически важно изучить механизмы химических реакций. Это включает в себя инициирование элементарных стадий реакций в фемтосекундном и пикосекундном диапазонах, идентификацию активированных частиц, активацию химических связей субстратов, перераспределение электронной плотности, а также образование активированных аддуктов и их последующую релаксацию в продукты реакции. Однако диагностика и контроль этих элементарных стадий представляют собой сложную задачу, требующую применения современных физико-химических методов. На мировом уровне основное внимание в повышении эффективности катализаторов уделяется детальному анализу морфологии активных фаз, выполняемому с помощью таких методов, как рентгеновская и синхротронная спектроскопия. Однако эти методы не всегда могут быть применены в режиме in situ во время каталитических реакций, что требует последовательных циклов подготовки катализатора, синтеза и анализа результатов. Это создает потребность в новых подходах, которые могли бы преодолеть эти ограничения.
В рамках предлагаемого проекта мы намерены использовать подход, основанный на применении комплекса физико-химических время-разрешающих методов, в первую очередь, основанный на лазерных технологиях. Развитие современных лазерных систем позволяет использовать их и в качестве инструментов диагностики, позволяющих определить структуру, концентрацию, химический состав вещества с фемтосекундным временным и субмикронным пространственным разрешением, осуществить локальное воздействие на среду, позволяя локально добиться сверхвысоких давлений (вплоть до ТПа) и температур (вплоть 10^5 К). Синхронизация силового и диагностического воздействия позволяет локально инициировать химические реакции, а потом производить диагностику динамики их протекания с фемтосекундным временным разрешением. Следовательно, использование лазерного излучения позволяет осуществить локальный нагрев катализатора и окружающей среды до необходимых для осуществления химической реакции температур, а использование КАРС и спектроскопии комбинационного рассеяния позволяет произвести диагностику протекающих процессов.
Для дополнительного инструмента контроля каталитических реакций можно использовать возможности сверхкритических флюидных технологий. Их интеграция в каталитические процессы открывает новые горизонты для синергии с лазерными методами. Сверхкритические флюиды, обладая уникальными физико-химическими свойствами, такими как высокая диффузионная проницаемость, возможность изменения плотности и диэлектрической проницаемости, создают идеальную среду для осуществления каталитических реакций. Применение лазерного излучения в сочетании с сверхкритическими флюидами позволяет эффективно контролировать условия реакции и улучшать реакционную способность каталитических систем.
Для лучшего понимания природы динамики химических реакций на атомарном уровне, мы планируем задействовать моделирование ab initio, основанное на методах квантовой механики и молекулярной динамики.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта планируется получение совокупности новых научных данных, которые можно разделить на следующие научные результаты:
Углубленное понимание механизмов протекания каталитических и плазмохимических реакций. Исследование направлено на детальное изучение элементарных стадий химических реакций с использованием лазерных технологий, времяразрешенной диагностики и моделирования ab initio, что позволяет получить фундаментальные знания о механизмах реакций на атомарном уровне. Значимость этого результата заключается в возможности применения полученных знаний для оптимизации существующих и разработки новых катализаторов, что откроет новые горизонты в каталитической науке и заложит инженерные основы для диагностики и управления каталитическими реакциями на новом уровне.
Разработка новых эффективных каталитических систем. Ожидается разработка и создание новых каталитических систем, которые могут значительно повысить эффективность гетерогенного катализа в промышленных процессах, таких как нефтегазохимия и утилизация парниковых газов. Значимость этого результата заключается в возможности улучшения экономической эффективности и экологической устойчивости процессов, что имеет критическое значение в условиях глобальных изменений климата и энергетических ресурсов. Разрабатываемые технологии синтеза каталитических систем, в том числе на основе использования лазерной абляции, и методы исследования их эффективности чрезвычайно важны с точки зрения формирования отечественных технологий в условиях текущей общемировой ситуации и решения задачи импортозамещения.
Поиск путей оптимизации протекания каталитических реакций на примере реакций гидрирования-дегидрирования, фишера-тропша, плазмохимического синтеза и др. с использованием возможностей современных лазерных технологий. Результаты исследования позволят получить новые фундаментальные знания о динамике и кинетике химических реакций. Эти знания могут быть полезны для дальнейших исследований и разработки новых подходов в области катализа.
Разработка новых инновационных методов диагностики и контроля. Проект предполагает внедрение высокоинформативных оптических методов диагностики, таких как КАРС и спектроскопия комбинационного рассеяния, для контроля каталитических процессов в режиме in situ. Значимость этого результата состоит в повышении точности и надежности контроля реакций, что позволит значительно лучше управлять процессами, минимизировать риски, связанные с их проведением, а также повысить эффективность и скорость протекания каталитических реакций. Отдельно стоит отметить, что использование времяразрешенной диагностики протекающих процессов на фемтосекундных, пикосекундных и наносекундных временных интервалах может дать целый комплекс фундаментальных научных данных, а разработанные методики диагностики протекания химических реакций имеют высокую ценность с точки зрения развития современного инструментария инженерных наук.
Синергия лазерных и сверхкритических флюидных технологий. Ожидается, что интеграция лазерных методов диагностики и управления состоянием вещества, в сочетании с сверхкритическими флюидами создаст новые возможности для проведения контролируемых каталитических реакций с возможностью подробной диагностики их протекания. Значимость данного результата заключается в расширении диапазона условий, при которых могут эффективно протекать реакции, что позволяет определить условия протекания эффективных каталитических реакций.
Разработка теоретических моделей ab initio и сравнение их с экспериментальными данными. С использованием методов квантовой механики и молекулярной динамики будут разработаны теоретические модели, описывающие динамику и кинетику каталитических процессов. Значимость этого результата заключается в создании научной базы для предсказания поведения катализаторов и определения путей оптимизации условий протекания реакций на основе полученных новых научных данных.
Разработка аппаратной реализации вышеописанных подходов в виде лабораторных прототипов полнофункциональных систем, как в части автоклавов высокого давления с возможностью оптической диагностики внутреннего объема, так и в части разработки систем контроля и диагностики на основе использования лазерного излучения. Будут разработаны и созданы оптические реакторы высокого давления для формирования модельных условий контролируемого протекания каталитических и плазмохимических реакций с участием лазерного излучения. Будут разработаны и собраны оптические диагностические системы для времяразрешенной оптической диагностики протекания реакций в локальном объеме автоклавов высокого давления.
Таким образом, результаты проекта имеют потенциально высокую значимость как для фундаментальной науки, так и для практического применения в различных отраслях, включая энергетику, нефтехимию, экологию, а также высокую значимость в части развития инженерных наук с точки зрения развития методов диагностики и контроля протекания химических реакций.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчётный период в рамках выполнения проекта были проведены экспериментальные и теоретические исследования лазерно‑индуцированных процессов в сверхкритических средах и разработаны новые оптические реакторы высокого давления для изучения химических и каталитических реакций в экстремальных условиях.
Были разработаны, модернизированы и собраны оптические реакторы высокого давления и их отдельные узлы, включая модульный оптический реактор, позволяющий проводить эксперименты с длиннофокусной оптикой, и специализированную оптическую ячейку высокого давления для комплексной спектроскопической диагностики. Созданы трубчатые реакторы для визуальных экспериментов и отработки in vivo‑методов наблюдения за каталитическими процессами при высоких температурах (до 350°С).
Подготовлена серия железосодержащих катализаторов на основе сибунита, промотированные калием. Катализаторы изучены в реакциях гидрирования CO2 при давлениях до 8.5 МПа и температурах 250-400°С. Показано, что проведение реакции катализа при 8.5 МПа обусловливает более глубокое, по сравнению с 0.1 МПа, гидрирование СО2 в насыщенные и ненасыщенные углеводороды с коэффициентом α = 0.54–0.65. Наилучшие показатели катализатора FeK/C достигнуты при температуре 400 °С, где соотношение олефины/алканы C2–C4 углеводородов составило 1.6. Также апробирован подход получения нанесённых катализаторов методом лазерной абляции металлической мишени в сверхкритическом CO2, обеспечивающий формирование наночастиц железа на поверхности сибунита.
Разработана и верифицирована модель описания динамики ионизации сверхкритического диоксида углерода, основанная на системе динамических скоростных уравнений. Модель прошла верификацию путем сравнения с экспериментальными данными о зависимости порога оптического фемтосекундного пробоя от длительности лазерного импульса в сверхкритическом диоксиде углерода и воде.
Установлено, что давление на фронте лазерно-индуцированной ударной волны в конденсированной среде определяется суммарной кинетической энергией, запасенной в электронной плазме.
Показано, что кластеризация в дельте Видома сверхкритического диоксида углерода приводит к резкому увеличению порога оптического пробоя и снижению поглощения лазерного фемтосекундного лазерного излучения. Данный эффект наиболее выражен в окрестности критической точки.
Методами время-разрешенной спектроскопии поглощения и теневой фотографии в сочетании с моделированием методом молекулярной динамики и использованием уравнения Аррениуса продемонстрировано, что скорость диссоциации диоксида углерода коррелирует с эволюцией лазерно-индуцированного кавитационного пузыря. При этом его осцилляции напрямую отражаются в колебаниях концентрации монооксида углерода, образующегося в результате лазерной диссоциации молекул CO₂.
С помощью разработанной ячейки высокого давления, адаптированной под проведение оптических исследований с длиннофокусными объективами, был апробирован метод КАРС для регистрации характеристических спектров CO2, H2, CH4, С2Н6 и/или их смеси в стационарном случае. Определены наиболее удобных спектральных линий для время-разрешенных экспериментов и показана возможность регистрации данных в широком диапазоне температур и давлений, включая режимы с малой экспозиции (~10мс) и давлений окружающей среды.
Публикации
1.
Рыжков Н.С., Ашарчук Н.М., Юсупов В.И., Мареев Е.И.
The Influence of Ultrashort Laser Pulse Duration on Shock Wave Generation in Water Under Tight Focusing Conditions
Photonics, Volume 12, Issue 11, 1067, (год публикации - 2025)
10.3390/photonics12111067
2. Васькова Д.В., Коклин А.Е., Богдан Т.В., Минаев Н.В., Богдан В.И. ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ГИДРИРОВАНИЕ CO2 НА КАТАЛИЗАТОРЕ, СОДЕРЖАЩЕМ ЖЕЛЕЗО НА УГЛЕРОДНОМ НОСИТЕЛЕ Сверхкритические флюиды: теория и практика, Cверхкритические флюиды: теория и практика, номер 4, 2025г. (год публикации - 2025)