Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0012

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0012
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук
Название доклада
Разработка катализаторов, не содержащих благородных металлов, для синтеза ценных органических продуктов
Докладчик
Кустов Леонид Модестович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель:
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:
(1) Разработка методологии получения металлических наночастиц различных размеров и формы и применение разработанных методов для получения моно- и биметаллических наночастиц (Ni, Cu, Fe, Ag) , в частности, с использованием СВЧ-активации для мягкого разложения прекурсоров и восстановления металлов
(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 спектральными методами.
(4) Разработка и тестирование высокоэффективных, селективных и рециклизуемых нанокатализаторов для гидрирования кратных связей, 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%).
Актуальность и новизна исследования
Снижение потребления и использования критических металлов, в том числе благородных металлов - одна из центральных проблем ХХI века. Основной областью потребления таких металлов является катализ. Значительное уменьшение содержания благородных металлов в катализаторов химических и нефтехимических процессов, а также в других типах катализаторов и, по возможности, замена благородных металлов неблагородными откроют новые возможности в промышленном катализе. Быстрая замена в таких масштабных областях как транспорт, нефтепереработка вряд ли возможна, тогда как область основного и тонкого органического синтеза, также активно использующая катализаторы на основе благородных металлов более открыта для нововведений.
Особенно остро и актуально задача стоит применительно к процессам гидрирования легкодоступного сырья (ацетиленовые, диеновые углеводороды, полимеры). Известные катализаторы гидрирования содержат Pd, Pt, Rh, Au. Замена этих дорогостоящих компонентов на Fe, Ni, Cu, Ag без существенной потери активности и селективности стимулировала бы прогресс в этой области. Подобный сдвиг в технологиях снизил бы также в значительной степени потребление энергии на рекуперацию и очистку благородных металлов и тем самым нагрузку на окружающую среду. При этом цена катализатора может быть снижена на 3 порядка.
Аналогичная ситуация наблюдается в области процессов получения продуктов тонкой химии, где широко используются процессы кросс-сочетания, присоединения и гидроаминирования, для которых также требуются, как правило, гомогенные катализаторы на основе палладия. Замена палладия на менее ценные металлы позволит значительно расширить возможности этих реакций и снизить цену на конечные продукты.
Описание исследования

Российский и японский 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 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.

 

Результаты исследования

Будет разработана методология получения металлических наночастиц различных размеров и формы и 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).

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).

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.

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).

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.

Практическая значимость исследования
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.
Постер

Poster_IN-6433808.ppt