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 21-79-00148
НазваниеГетерогенные катализаторы гидрирования углекислого газа на основе промотированных платиной и медью наночастиц нитридов железа и кобальта, нанесённых на частицы дефектного гексагонального нитрида бора
РуководительЛейбо Денис Владимирович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2021 - 06.2023 |
Конкурс№60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-206 - Нано- и мембранные технологии
Ключевые словаГетерогенный катализ, гидрирование углекислого газа, нитрид бора, нитрид железа, промотирование
Код ГРНТИ31.15.28
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
На сегодняшний день существует острая необходимость в разработке эффективных технологий хранения и транспортировки энергии, связанная с возрастающими угрозами глобального потепления и истощения ископаемых источников энергии. Согласно многочисленным исследованиям, объёмное содержание СО2 в атмосфере увеличилось более чем на 40% в период с 1750 по 2018 год и превысило 400 ppm. Без разработки эффективной стратегии решения данной проблемы, постоянный рост объёмов выбросов углекислого газа приведёт к увеличению средней температуры поверхности Земли более чем на 2°С по сравнению с уровнем 1900 года. Наиболее перспективной технологией утилизации избытка CO2 является получение ценных продуктов, способных частично или полностью возместить затраты энергии на их получение. В качестве таких продуктов рассматриваются алканы и одноатомные спирты, которые могут быть использованы в качестве топлива или прекурсоров для органического синтеза. Однако, для широкого применения такой технологии, необходимо создание активных и стабильных катализаторов восстановления CO2.
Среди используемых на сегодняшний день гетерогенных катализаторов синтеза искусственных топлив путём гидрирования углекислого газа наибольшее распространение получили системы на основе железа, нанесённого на оксидные материалы. Несмотря на высокие значения активности и селективности, данные материалы подвержены деактивации из-за окисления образующейся в ходе проведения процесса водой. Основными активными компонентами железных катализаторов являются карбиды, которые образуются in situ при проведении процесса гидрирования. Однако их структуру, размер и морфологию проблематично контролировать на этапе синтеза катализаторов, что также препятствует их широкому использованию. Применение в качестве носителей катализаторов оксидных материалов обусловлено их высокой удельной поверхностью и низкой стоимостью. Тем не менее, использование гидрофильных оксидов сопряжено с отравлением их поверхности водой, сильным взаимодействием между носителем и активным компонентом с образованием шпинельных фаз и слабым отводом тепла из зоны реакции, что приводит к локальным градиентам температур и реструктуризации поверхности активных компонентов.
Для преодоления указанных недостатков в настоящем проекте предлагается использовать в качестве активных компонентов нитриды железа и кобальта, промотированных медью и платиной. Нитриды обладают большей окислительной стойкостью по сравнению с металлами и обладают высокими активностью, селективностью и стабильностью в реакции Фишера-Тропша. Использование промоторов позволит повысить активность катализаторов за счёт ускорения реакции восстановления СО2 до более реакционноспособного монооксида углерода. В качестве носителей катализаторов будут использованы частицы дефектного гексагонального нитрида бора. Выбор материала носителя обусловлен его высокой удельной поверхностью, гидрофобностью и высокой теплопроводностью. Создание дефектов в кристаллической решётке позволит увеличить адсорбцию углекислого газа на поверхности катализатора и будет способствовать активации молекул СО2. Таким образом, использование различных функциональных центров на поверхности катализатора позволит создать новые типы материалов для синтеза углеводородов путём гидрирования СО2 с контролируемыми активностью, селективностью и стабильностью.
Новизна проекта состоит в том, что
1. Впервые будет изучено влияние концентрации и типа дефектов кристаллической решётки гексагонального нитрида бора на структурные и физико-химические характеристики катализаторов на основе нитридов железа (кобальта), промотированных платиной (медью)
2. Впервые будет проведено сравнение активности, селективности и стабильности катализаторов на основе нитридов железа (кобальта), нанесённых на частицы дефектного гексагонального нитрида бора, в реакции гидрирования СО2
3. Впервые будет изучено влияние природы и концентрации промоторов на структурные, физико-химические и каталитические характеристики материалов на основе нитридов железа (кобальта), нанесённых на частицы дефектного гексагонального нитрида бора
Ожидаемые результаты
По результатам выполнения проекта будут получены следующие основные научные результаты:
Будут установлены закономерности формирования дефектов в структуре порошков гексагонального нитрида бора в процессе их механической обработки, в том числе с добавлением в систему углеродсодержащих компонентов (графит, амины).
Будут установлены закономерности влияния параметров механической обработки микронных порошков гексагонального нитрида бора на кристаллическую структуру, морфологию, удельную поверхность и характеристики взаимодействия углекислого газа с поверхностью частиц дефектного нитрида бора.
Будут установлены закономерности взаимодействия наночастиц нитрида железа и кобальта с поверхностью дефектного гексагонального нитрида бора.
Будет проведено сравнение активности, селективности и стабильности катализаторов на основе нитридов железа и кобальта, а также металлических частиц железа и кобальта на поверхности дефектного гексагонального нитрида бора.
Будут установлены закономерности влияния природы и концентрации промоторов на структурные и физико-химические характеристики катализаторов на основе нитридов железа и кобальта.
Будет проведено исследование влияния промотирования на активность, селективность и стабильность катализаторов на основе нитридов железа и кобальта в реакции гидрирования СО2.
Соответствие предполагаемых результатов мировому уровню исследований
На сегодняшний день основные работы по теме каталитического восстановления углекислого газа направлены на поиск составов носителей и промоторов для катализаторов на основе переходных металлов. В качестве носителей, в основном, рассматриваются системы на основе оксидов. Оптимальный состав носителя позволяет добиваться наиболее равномерного распределения активных компонентов на его поверхности за счёт благоприятной энергии взаимодействия между ними, а также может выступать в качестве дополнительных центров адсорбции компонентов каталитической реакции. Использование промоторов позволяет регулировать основность катализатора, а также способствует стабилизации активных фаз.
Предлагаемые для использования в качестве активных фаз нитриды переходных металлов являются перспективными материалами благодаря их стабильности и уникальной электронной структуре, достигаемой за счёт взаимодействия валентных sp электронов азота с spd зонами металла. Совместное использование нитридов с носителем из дефектного гексагонального нитрида бора, а также их промотирование позволит создать новые каталитически активные материалы для утилизации углекислого газа. Однако, на сегодняшний день в литературе отсутствуют исследования таких систем, их активности, селективности и стабильности в реакции гидрирования СО2, влияния параметров синтеза на физико-химические и структурные характеристики. В связи с этим, выбранное направление является новым и перспективным.
Возможность практического использования ожидаемых результатов проекта в экономике и социальной сфере
Результаты проведённых исследований позволят сделать научно-обоснованный выбор составов катализаторов, оптимальных с точки зрения достижения высоких значений активности, селективности и стабильности в реакции гидрирования углекислого газа. Использование данных катализаторов на промышленных объектах позволит значительно снизить количество вредных выбросов углекислого газа в атмосферу, а производство ценных углеводородных продуктов позволит частично возместить энергозатраты на утилизацию CO2. Научные результаты и установленные закономерности влияния состава получаемых катализаторов на функциональные свойства будут использованы в дальнейших научно-исследовательских работах и включены в разработанную в 2020 году он-лайн образовательную программу «Материаловедение в катализе».
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В результате выполнения 1го этапа работ по проекту было изучено влияние параметров механической обработки на характеристики порошков нитрида бора, представляющих интерес для использования в качестве носителей катализаоров гидрирования углекислого газа на основе нитридов железа и кобальта. Были подобраны параметры обработки, при которых удалось достичь высокой (более 300 м2/г) удельной поверхности порошков, а также допирования нитрида бора атомами углерода. Было показано, что механическая обработка положительно влияет на равномерность распределения нанесённых наночастиц железа по поверхности носителя.
Исследования каталитической активности в реакции гидрирования углекислого газа показали, что системы на основе кобальта значительно более активные в сравнении с нитридом железа. Основным продуктом гидрирования на железосодержащих катализаторах является монооксид углерода, в то время как, в случае кобальтовых систем образуется преимущественно метан. При этом выход по более тяжёлым С2+ углеводородам также выше в случае нитрида кобальта. Было показано, что активность и селективность по углеводородам систем на основе нитридов металлов выше соответствующих металлических систем.
Публикации
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В результате выполнения 2го этапа работ по проекту было изучено влияние промотирования катализаторов на основе CoxN/BCN медью и платиной на их состав и структуру, а также каталитическую активность в реакции гидрирования углекислого газа. Было показано, что медь и платина образуют наночастицы на поверхности катализатора. Медь также присутствует в форме смешанного нитрида с кобальтом. Морфология и удельная поверхность катализатора не изменяется в результате промотирования. Частицы катализатора имеют неправильную форму и размер 1-5 мкм. Размер наночастиц активной фазы составляет 20-30 нм. Была подтверждена дефектность поверхности носителя катализаторов и показано преимущественное образование B-N-O связей на поверхности. Промоутеры на поверхности находятся в металлическом состоянии, при этом, происходит значительное изменение химического состояния кобальта после промотирования.
Исследование каталитической активности показало, что конверсия углекислого газа снижается после промотирования, что связано с изменением энергии адсорбции компонентов реакции. Основным продуктом реакции для всех катализаторов является метан. Основная тенденция влияния промоутеров на селективность выражается в уменьшении селективности по углеводородам, однако, в случае платины наблюдается увеличение селективности по отношению к пентану, что свидетельствует об образовании дополнительных активных центров роста углеводородной цепи.
Публикации
1. Конопацкий А.С., Лейбо Д.В., Калинина В.В., Зильберберг И.Л., Антипина Л.Ю., Сорокин П.Б., Штанский Д.В. Synergistic Catalytic Effect of Ag and MgO Nanoparticles Supported on Defective BN Surface in CO Oxidation Reaction Materials, 2, 16, 470-482 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ma16020470
2. Лейбо Д.В., Фаерштейн К.О., Евдокименко Н.Д., Рыжова А.А., Байдышев В.С., Чепкасов И.В., Попов З.И., Кустов А.Л., Конопацкий А.С., Гольберг Д.В., Штанский Д.В. Ball-Milled Processed, Selective Fe/h-BN Nanocatalysts for CO2 Hydrogenation ACS Applied Nano Materials, 11, 5, 16475-16488 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acsanm.2c03540
Возможность практического использования результатов
не указано