Конструирование моноатомных катализаторов со специфическими функциями для получения водорода из биомассы

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 25-43-02194

НазваниеКонструирование моноатомных катализаторов со специфическими функциями для получения водорода из биомассы

Руководитель Пармон Валентин Николаевич, Доктор химических 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 №113 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ

Ключевые слова фотокатализ, гетерогенный катализ, моноатомные катализаторы, двойные моноатомные катализаторы, биомасса, муравьиная кислота, получение водорода, механизм реакции

Код ГРНТИ31.15.28

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Получение водорода путем переработки биомассы — это экологически безопасная технология, соответствующая принципам устойчивого развития и которая станет одним из важных способов решения экологических и энергетических проблем в будущем. Однако часто рассматриваемый способ каталитического пиролиза/газификации биомассы с получением водорода требует больших затрат энергии, поскольку используются очень высокие температуры (> 900 К). Кроме того, образование углеродных отложений и дезактивация катализатора существенно усложняют применение этого подхода. Недавно был предложен двухэтапный подход к получению водорода из биомассы при низких температурах (< 423 К). На первом этапе биомасса преобразуется в растворы, содержащие муравьиную кислоту, путем каталитического гидролиза-окисления. На втором этапе полученная таким способом муравьиная кислота преобразуется в водород путем каталитического разложения. Общее количество публикаций, описывающих этот двухэтапный процесс, очень мало (5). В то же время экономический анализ, проведенный недавно немецкими экспертами, показал, что этот новый подход имеет высокий потенциал и конкурентоспособность. Следовательно, эта область превращения биомассы в водород через муравьиную кислоту (BFH процесс) требует проведения дальнейших исследований. Ключевой задачей развития BFH-процесса является разработка эффективных катализаторов его осуществления. В последнее время нанесенные моноатомные катализаторы (SAC), в которых металл используется с максимальной эффективностью, а структура активных центров определена, стали перспективными каталитическими системами в области между гетерогенным и гомогенным катализом. Научные задачи проекта заключаются в выявлении влияния изоляции атомов металлов на носителе на каталитические свойства, в установлении их структуры и электронного состояния. Ожидается, что моноатомные катализаторы будут обладать специфическими функциями, то есть обеспечивать высокую активность, селективность и стабильность. Более того, синтез моноатомных катализаторов с использованием таких носителей, как 1D-материалы (N-допированные нанотрубки/нановолокна) и 2D-материалы (g-C3N4, металлоорганические каркасы (MOF) и ковалентные триазиновые каркасы (CTF)) могут позволить регулировать и улучшать их каталитические свойства. Применение двойных моноатомных катализаторов (dual SAC), в которых представлены моноатомные центры двух металлов, благодаря их бифункциональным свойствам может позволить в дальнейшем регулировать термо- и фотокаталитические свойства и приводить к более высокой эффективности процесса. В работе предполагаются использовать переходные металлы (Pt, Pd, Cu, Fe, Co) в качестве первого металла и редкоземельные металлы (Er, La, Ce, Pr) в качестве второго металла. В результате выполнения проекта мы собираемся разработать катализаторы для двух стадий процесса превращения биомассы в водород через муравьиную кислоту и детально их изучить. Основными особенностями проекта будут следующие: - разработка моноатомных и двойных моноатомных катализаторов для обеих стадий конверсии биомассы в H2, - изучение образования H2 из муравьиной кислоты с использованием гетерогенных катализаторов в жидкой и в газовой фазе, а также из растворов, полученных гидролизом/окислением биомассы. Кроме того, разложение муравьиной кислоты будет изучаться при облучении светом в присутствии фотокатализаторов. - установление структуры и электронного состояния активных моноатомных центров и понимание ключевых этапов механизма реакции. Предложенный подход позволит разработать высокоэффективный процесс конверсии биомассы в водород. Более того, это исследование предоставит новое видение технологии производства H2 и новое использование ресурсов в Китае и России.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта для первой стадии процесса - превращения биомассы в окислительной конверсии модельных субстратов (глюкозы, мальтозы) и крахмала до растворов, содержащих муравьиную кислоту, будет проведён синтез катализаторов с моноатомными центрами V на 3D носителях ZrO2, SiO2, Al2O3, TiO2 и 1D углеродных нанотрубках/нановолокнах, допированных азотом. Для второй стадии процесса - получения водорода из муравьиной кислоты будут синтезированы катализаторы Pd, Pt, Cu, Fe и Co на 1D углеродных нанотрубках/нановолокнах, допированных азотом, 2D графитоподобном нитриде углерода, металлоорганических каркасах (MOF) и ковалентных триазиновых каркасах (СTF). Кроме того, будут синтезированы катализаторы с двойными моноатомными центрами, включающие упомянутые металлы, а также редкоземельные металлы (Er, La, Ce, Pr). Нанесенные изолированные атомы редкоземельных металлов могут снизить активационный барьер реакции и способствовать спиловеру атомов водорода с образованием ключевых промежуточных интермедиатов в активном состоянии, и, тем самым, улучшить каталитическое и фотокаталитическое разложение муравьиной кислоты. Методами EXAFS/XANES, HAADF/STEM, а также РФЭС будут выявлены моноатомные центры в катализаторах, а также определена координация атомов металла по отношению к соседним атомам и их электронные свойства. Будут выявлены наиболее активные и селективные катализаторы для реакции получения муравьиной кислоты из биомассы и водорода из муравьиной кислоты. Для газофазной реакции будут проанализированы стабильность и характер участия в реакции поверхностных соединений, наблюдаемых методом ИК спектроскопии in situ. Методами квантовой химии будут определены стабильные структуры с моноатомными центрами металлов, которые эффективно взаимодействуют с муравьиной кислотой. В итоге будет сделан вывод о природе активных центров реакций. Ожидается, что катализаторы с моноатомными центрами продемонстрируют более высокую каталитическую активность на один атом по сравнению с катализаторами, которые содержат наночастицы, а некоторые двойные моноатомные катализаторы продемонстрируют ещё более высокую активность. Полученные результаты будут полезны для разработки катализаторов для нейтрального по CО2 цикла хранения водорода в форме муравьиной кислоты, а также для множества других реакций, которые протекают на катализаторах с моноатомными центрами. Коллектив исполнителей в ходе выполнения проекта предложит основные принципы создания наиболее активных катализаторов с моноатомными центрами металла, установит взаимосвязи между природой активных центров катализаторов и каталитической активностью, выявит основные черты механизма реакций. Катализ на отдельных атомах металла является малоисследованной областью на стыке химии поверхности материалов, гомогенного и гетерогенного катализа. Ожидается, что полученные результаты будут не только соответствовать мировому уровню исследований, но и в области создания технологии для получения водорода из биомассы будут превышать его. Исследования, запланированные в проекте, дадут информацию о перспективности моноатомных катализаторов для определенных типов промышленно-важных реакций. Соответственно, в ходе выполнения проекта будут получены новые знания, которые будут основой для подготовки публикаций в высокоимпактных Q1-Q2 журналах, индексируемых базами данных WoS и Scopus. Руководители проекта с обоих сторон имеют значительный опыт публикаций в журналах с импакт-факторами выше 8. Эти исследования должны привести к важным научным результатам по созданию низкотемпературного процесса превращения биомассы в водород, позволяющего снизить цену H2, производимого из биомассы, а также существенно снизить выбросы CO2 в атмосферу.