Регистрация / Вход
Прислать материал

14.616.21.0041

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.616.21.0041
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук
Название доклада
Нанокатализаторы для конверсии СО2 в ценные продукты в сверхкритических условиях
Докладчик
Кустов Леонид Модестович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целями работы являются:
- Разработка методологии получения нанокатализаторов, активных в конверсии СО2.
- Разработка основ технологии конверсии СО2 в сверхкритических условиях.
- Оценка эффективности нанокатализаторов в процессах восстановления СО2, карбоксилирования и других процессах конверсии СО2.
Задачи исследований:
(1) Разработка методологии получения наноразмерных катализаторов для конверсии СО2 в ценныепродукты
(2) Исследование процессов конверсии СО2 в СО, СН4, СН3ОН, карбоновые кислоты,
пропиленкарбонат в сверхкритическом СО2.
(3) Детальная характеризация наноразмерных катализаторов для конверсии СО2 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 оценка высокоэффективного прототипа промышленного катализатора
гидрирования СО2, не содержащего благородных металлов или содержащего экстремально
низкое количество критических металлов (менее 0.1%).
Актуальность и новизна исследования
Снижение выбросов парниковых газов, в первую очередь СО2 может быть достигнуто частичной
конверсией СО2 в ценные продукты (СО, СН4, СН3ОН), органические карбонаты, карбоновые
кислоты и амиды). Эта проблема может быть решена только при использовании
катализаторов, способных эффективно и селективно активировать молекулу СО2. В то же время,
востребованы катализаторы, отвечающие запросам, связанным со снижением потребления и
использования критических металлов, в том числе благородных металлов. Замена в таких масштабных областях как гидрирование СО2 весьма вероятна, поскольку, как было показано, не только благородные, но и переходные металлы (никель, железо), а также золото и серебро способны катализировать конверсию СО2. Актуальны и другие процессы конверсии СО2 в органические соединения.
Известно, что осуществление процессов в сверхкритических средах способствует повышению
производительности катализаторов и повышению экологической привлекательности процессов,
особенно при использовании СО2 в качестве и сырья и сверхкритического флюида. Вместе с тем,
в литературе практически отсутствуют примеры проведения реакций СО2, в том числе
гидрирования в СО, СН4 и СН3ОН в сверхкритических условиях
Известные катализаторы гидрирования СО2 содержат Pd, Pt, Rh. Замена этих дорогостоящих компонентов на Fe, Ni, Cu, Ag, Au без существенной потери активности и селективности стимулировала бы прогресс в этой области. Аналогичная ситуация наблюдается в области процессов получения продуктов тонкой химии из CO2.
Описание исследования

Российский и французский участники в течение более 30 лет занимаются разработкой
наноразмерных катализаторов для различных процессов. Списки публикаций с обеих сторон
включают более 200 наименований. У российского участника имеется около 30 патентов по теме
проекта. Имеется обширный опыт получения и исследования наноразмерных катализаторов, в том
числе на мезопористых подложках. Ранее была продемонстрирована на примере благородных
металлов эффективность подходов, основанных на использовании сверхкритических флюидов и
других "зеленых" подходов в каталитическом синтезе органических соединений. Имеются
основания полагать, что эти подходы окажутся также эффективны для конверсии СО2 в ценные
продукты в сверхкритических усовиях с использованием катализаторов на основе неблагородных
металлов и биметаллических частиц, содержащих малые количества благородных металлов.

Ранее была продемонстрирована эффективность подходов, основанных на использовании
сверхкритических сред для осуществления процессов органического синтеза. Имеются основания
полагать, что эти подходы окажутся также эффективны для конверсии СО2 в ряд ценных
продуктов при использованиии СО2 в качестве сверхкритической среды.
Что касается каталитических процессов, ранее коллективом было показано, что частицы никеля,
железа, золота и серебра активны в гидрировании СО2. Поэтому можно ожидать, что
наночастицы переходных металлов и биметаллические катализаторы окажутся весьма активными
в других исследуемых реакциях.
У коллектива имеется многолетний опыт характеризации катализаторов спектральными и
другими методами. В лаборатории имеются современные приборы для проведения исследований по синтезу наноразмерных материалов различного назначения и проведения физикохимических
исследований разрабатываемых материалов: спектрофлуориметр, УФ-спектрометр, ИК-Фурье
спектрометр, адсорбционные установки для текстурных исследований, а также установка для insitu
СВЧ-активации материалов, которая базируется на проточном мономодовом реакторе
резонаторного типа на рабочей частоте 4.0 ГГц (может использоваться и как замкнутый реактор).
Коллектив имеет значительный опыт работ в области разработки технологий различных
каталитических процессов, имеется достаточная аналитическая база (газовые и жидкостные
хроматографы, масс-спектрометры, хромато-масс-спектрометрия, ЯМР- и ИК-спектроскопия для
решения задач по данному проекту. Имеются высокочувствительные и оригинальные методы
исследования катализаторов (ИКСДР, ЭПР, РФЭС, XAFS, разнообразные, в том числе
нетрадиционные молекулы-зонды).
У коллектива имеется установка для осуществления процессов в сверхкритических условиях, в
частности в СО2.

Результаты исследования

Основные результаты:

- Синтезирована серия монометаллических нанокатализаторов путем целенаправленного и регулируемого инкапсулирования наночастиц в специально выбранные и разработанные мезопористые матрицы, включая мезопористые силикаты (модифицированные МСМ-41, SBA-15) и металл-органические каркасные структуры (metal organic frameworks, MOFs) с контролем размера пор  методов инкапсулирования, предотвращающих потери активных компонентов в результате смыва (leaching).

- Синтезированные монометаллические нанокатализаторы исследованы спектральными методами (микроскопии, ИКСДР, РФЭС).

- Проведена оптимизация состава монометаллических нанокатализаторов для процесса гидрирования CO2.

- Проведена оптимизация условий получения монометаллических нанокатализаторов для процесса гидрирования CO2 .

- . Разработана методика получения отимальных монометаллических нанокатализаторов для процесса гидрирования CO2.

- Произведена детальная характеризация свободных и нанесенных наночастиц металлов в синтезированных оптимизированных монометаллических нанокатализаторов методами электронной микроскопии (SEM, TEM, EDS-SEM), высокоинформативными спектральными методами (XPS, DRIFTS, XAFS, UV, плазмонный резонанс) с использованием  .характеристичных молекул-зондов (H2, CO, C2H2, CD3CN, NO), адсорбционных методов, ТПВ/ТПД, XRD и DTA/TG.

Иностранным партнером - Институтом исследований в области катализа и окружающей среды, Лион, Франция (Institute de recherches sur la catalyse et l'environnement de Lyon CNRS), - были выполнены следующие работы:

- Исследование монометаллических нанокатализаторов в процессе конверсии CO2 в амиды и сложные эфиры.

- Оптимизация условий процессов конверсии CO2 в амиды и сложные эфиры на монометаллических катализаторах.

Основные результаты проекта размещены на сайте ИОХ РАН http://zioc.ru/resources/goskontraktyi

Таким образом, способом пост-синтетического модифицирования были получена серия новых нанокатализаторов, представляющие собой наночастицы палладия, кобальта и золота, локализованные в матрицах мезопористых силикатов МСМ-41 и SBA-15, а также металл-органических каркасов MOF различной пористой структуры, состава и топологии. Их структурная характеризация была проведена методом рентгенофазового анализа (РФА). Всего было получено 16 образцов нанокатализаторов.

Практическая значимость исследования
Разработанные катализаторы и процессы могут быть использованы как прототипы
промышленных катализаторов гидрирования СО2 и процессов образования связей С-С и С-
гетероатом с участием СО2 в качестве субстрата. По результатам проекта будут подготовлены
коммерческие предложения для компаний, использующих катализаторы для процессов
гидрирования СО2 и получения карбоновых кислот, формамида и других продуктов с участием
СО2, 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.
Постер

Poster_IN-4098480.ppt