Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка катализаторов, не содержащих благородных металлов, для синтеза ценных органических продуктов

Докладчик: Кустов Леонид Модестович

Должность: Заведующий лабораторией

Цель проекта:
Цели проекта: - Разработка методологии синтеза катализаторов, не содержащих благородных металлов, на основе моно- и биметаллических наночастиц. - Оценка каталитических свойств разработанных нанокатализаторов в реакциях гидрирования, гидроаминирования, кросс- сочетания для синтеза ценных органических продуктов. Задачи проекта и возможные пути их решения: (1) Разработка методологии получения металлических наночастиц различных размеров и формы и применение разработанных методов для получения моно- и биметаллических наночастиц (Ni, Cu, Fe, Ag) определенных размеров и морфологии, в частности, с использованием (1) СВЧ-активации для мягкого разложения прекурсоров и восстановления металлов, (2) ионных жидкостей для стабилизации наночастиц металлов, (3) новых стабилизирующих лигандов, включая биосовместимые и биоразлагаемые лиганды (хитозаны, гуминовые соединения, полимеры на основе аминокислот). (2) Целенаправленное и регулируемое инкапсулирование наночастиц в специально выбранные и разработанные мезопористые матрицы, включая мезопористые силикаты (модифицированные MCM-41, SBA-15) и металл-органические каркасные структуры (metal organic frameworks, MOFs) с контролем размера пор и методов инкапсулирования, предотвращающих потери активных компонентов в результате смыва (leaching). (3) Детальная характеризация свободных и нанесенных наночастиц металлов методами электронной микроскопии (SEM, TEM, EDS-SEM), высокоинформативными спектральными методами (XPS, DRIFTS, XAFS, UV, плазмонный резонанс) с использованием характеристичных молекул-зондов (H2, CO, С2Н2, СD3CN, NO), адсорбционных методов, TПВ/TПД, XRD, и DTA/TG. (4) Разработка и тестирование высокоэффективных, селективных и рециклизуемых нанокатализаторов для гидрирования двойных и тройных связей, включая нитрильные и нитросоединения, в том числе в полимерах, и реакций образования связей С-С и С-гетероатом (кросс-сочетание, гидроаминирование), в том числе процессов промышленного значения (гидрирование каучуков и полистирола). (5) Разработка и оценка высокоэффективного прототипа промышленного катализатора гидрирования и процессов образования связей С-С и С-гетероатом, не содержащего благородных металлов или содержащего экстремально низкое количество критических металлов (менее 0.1%). Ранее была продемонстрирована на примере благородных металлов эффективность подходов, основанных на использовании СВЧ-активации, ионных жидкостей, хитозанов и других "зеленых" лигандов в синтезе наночастиц металлов, как нанесенных, так и в свободном состоянии. Имеются основания полагать, что эти подходы окажутся также эффективны для приготовления наночастиц неблагородных металлов и биметаллических частиц, содержащих малые количества благородных металлов. Что касается каталитических процессов, ранее коллективом было показано, что частицы железа активны в гидродехлорировании хлорароматических соединений и гидрировании нитрильных групп, а частицы меди проявляют высокую селективность в некоторых реакциях кросс-сочетания. Поэтому можно ожидать, что наночастицы переходных металлов окажутся весьма активными в исследуемых реакциях.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Будет разработана методология получения металлических наночастиц различных размеров и формы.
2. Разработанные методы будут применены для получения моно- и биметаллических наночастиц (Ni, Cu, Fe, Ag) определенных размеров и морфологии, в частности, с использованием (1) СВЧ-активации для мягкого разложения прекурсоров и восстановления металлов, (2) ионных жидкостей для стабилизации наночастиц металлов, (3) новых стабилизирующих лигандов, включая биосовместимые и биоразлагаемые лиганды (хитозаны, гуминовые соединения, полимеры на основе аминокислот).
3. Будет проведено целенаправленное и регулируемое инкапсулирование наночастиц в специально выбранные и разработанные мезопористые матрицы, включая мезопористые силикаты (модифицированные MCM-41, SBA-15) и металл-органические каркасные структуры (metal organic frameworks, MOFs) с контролем размера пор и методов инкапсулирования, предотвращающих потери активных компонентов в результате смыва (leaching).
4. Будет проведена детальная характеризация свободных и нанесенных наночастиц металлов методами электронной микроскопии (SEM, TEM, EDS-SEM), высокоинформативными спектральными методами (XPS, DRIFTS, XAFS, UV, плазмонный резонанс) с использованием характеристичных молекул-зондов (H2, CO, С2Н2, СD3CN, NO), адсорбционных методов, TПВ/TПД, XRD, и DTA/TG.
5. Будут разработаны и протестированы в каталитических реакциях высокоэффективные, селективные и рециклизуемые нанокатализаторы для гидрирования двойных и тройных связей, включая нитрильные и нитросоединения, в том числе в полимерах, и реакций образования связей С-С и С-гетероатом (кросс-сочетание, гидроаминирование), в том числе процессов промышленного значения (гидрирование каучуков и полистирола).
6. Будет разработан высокоэффективный прототип промышленного катализатора гидрирования и процессов образования связей С-С и С-гетероатом, не содержащий благородных металлов или содержащий экстремально низкое количество критических металлов (менее 0.1%) и проведена его оценка для применения в процессах гидрирования, гидроаминирования и кросс-сочетания.
7. По результатам работы будут подготовлены аналитический обзор, включающий не менее 30 источников, 7 статей в журналах из базы Web of Science, в том числе 4 статьи с японскими учеными, будет подано 3 заявки на патенты РФ. Будет проведено 3 симпозиума по теме проекта с участием не менее 40 молодых ученых и не менее 5 иностранных ученых.
8. Будут разработаны методики получения наноразмерных катализаторов (3 методики) и методики проведения реакций гидрирования, гидроаминирования и кросс- сочетания (3 методики).
9. Будут приготовлены 3 экспериментальных образца в качестве прототипов промышленных катализаторов для процессов гидрирования, гидроаминирования и кросс- сочетания.
10. Будут проведены патентные исследования
11. Будут подготовлены предложения и рекомендации по практической реализации результатов прикладных научных исследований.
12. Будет подготовлен Проект ТЗ на проведение ПНИЭР по разработке технологии гидрирования и демонстрационной установки.
13. Будет разработан Проект Технических условий на нанокатализатор процесса гидрирования.
Разрабатываемые системы будут превосходить известные катализаторы по селективности и активности. Разработанные катализаторы будут обеспечивать конверсию, селективность и выход целевого продукта, отличающиеся от показателей для катализаторов с благородными металлами при одинаковых условиях испытания и при одинаковых содержаниях металлов не менее, чем на 15-20%. Разрабатываемые наноматериалы обеспечат возможность их легкой регенерации для восстановления активности
Разработанные образцы катализаторов будут использованы в экспериментах по гидрированию соединений с кратными связями и каучуков, гидроаминирования алкинов и кросс-сочетания алкенов и алкинов. В дальнейшем промышленном использовании катализаторы могут быть применены для повышения эффективности, производительности, селективности и снижения энергоёмкости классических процессов гидрирования соединений с кратными связями и каучуков, а также для получения новых видов химических продуктов – частично или полностью гидрированных углеводородных каучуков, полистирола.
Разработанные катализаторы будут содержать не более 0.1 вес. % благородного металла.
Достижимость заявленных результатов обеспечивается многолетним заделом в области разработки низкопроцентных катализаторов для процессов гидрирования, гидроаминирования, кросс-сочетания, привлечением к проекту специалистов мирового уровня (акад. Белецкая, проф. Икария, проф. Акита).

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные образцы катализаторов будут использованы в экспериментах по гидрированию соединений с кратными связями и каучуков, гидроаминирования алкинов и кросс-сочетания алкенов и алкинов. В дальнейшем промышленном использовании катализаторы могут быть применены для повышения эффективности, производительности, селективности и снижения энергоёмкости классических процессов гидрирования соединений с кратными связями и каучуков, а также для получения новых видов химических продуктов – частично или полностью гидрированных углеводородных каучуков, полистирола.
Разработанные катализаторы и процессы могут быть использованы как прототипы промышленных катализаторов гидрирования и процессов образования связей С-С и С-гетероатом. По результатам проекта будут подготовлены коммерческие предложения для компаний, использующих катализаторы для процессов гидрирования и получения аминов и других продуктов, в том числе, Сибур, Lanxess, Shewa Denko, Mitsubishi, Нефтекамскнефтехим. Полученные патенты могут быть предложены в лицензию указанным компаниям. Результаты проекты будут широко представлены на международных и российских конференциях, симпозиумах и конгрессах.

Текущие результаты проекта:
1. Подготовлен аналитический обзор современной научно-технической, методической литературы, затрагивающей научно- техническую проблему, исследуемую в
рамках проблемы разработки наноматериалов для процессов гидрирования, гидроаминирования.
2 Обоснован выбор методов и средств, направлений исследований и способов решения задач разработки наноматериалов для процессов гидрирования, гидроаминирования.
3 Подготовлены к работе лабораторные установки для осуществления процессов гидрирования, гидроаминирования с использованием наноматериалов
4. Разработаны методики экспериментальных исследований процессов гидрирования, гидроаминирования.
5 Приготовлены лабораторные образцы наноматериалов для процессов гидрирования, гидроаминирования, в том числе с использованием биосовместимых лигандов, СВЧ-активации и ионных жидкостей.
6 Проведены предварительные экспериментальные исследования наноматериалов для процессов гидрирования, гидроаминирования
7. Проведены патентные исследования