КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 22-73-00183

НазваниеКаталитические системы на базе наноразмерных смешанных оксидов для энергоэффективных и экологичных процессов селективного гидрирования кислород- и азотсодержащих органических соединений

РуководительРедина Елена Андреевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук, г Москва

КонкурсКонкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Реакции каталитического гидрирования занимают центральное место в промышленных процессах нефтехимии и органического синтеза. Использующиеся в настоящее время каталитические системы для гидрирования различных классов органических соединений молекулярным водородом требуют использования жестких условий, что делает процесс энергозатратным. Кроме того, повышенные давление и температура, необходимые для протекания реакции, приводят к низкой селективности по целевым продуктам, в частности, в результате протекания нежелательной реакции гидрогенолиза молекул субстрата и/или реагента. В результате, для выделения продукта требуются дополнительные стадии очистки, а следовательно, образуется дополнительное количество отходов. Внедрение в практику органического синтеза принципов «зеленой» химии, основной идеей которой является разработка экологически чистых и безопасных процессов, создает новые вызовы ученым. Первостепенной становится проблема дизайна более совершенных каталитических систем, позволяющих проводить реакции гидрирования в мягких условиях, в идеальном случае, при комнатной температуре и атмосферном давлении. В настоящем проекте предполагается разработка гетерогенных каталитических систем, которые представляют собой наночастицы активной фазы (Pt, Cu), нанесенные на наноразмерные смешанные оксиды металлов. Смешанные оксидные системы на базе легковосстанавливающихся оксидов полупроводникового типа (CeO2, TiO2) являются уникальными подложками для наночастиц переходных металлов, активных в гидрировании, поскольку для таких систем характерно возникновение эффекта «сильного взаимодействия металлических частиц с подложкой», которое проявляется в электронном взаимодействии нанесенного металла и оксида. Взаимодействие водорода с такими системами характеризуется эффектом спилловера, т.е. его активированной хемосорбции на поверхности нанесенной фазы с образованием частиц H* (H* = H•, H+/H-) и их «перетеканием» на носитель, вследствие чего происходит поверхностное восстановление последнего с образованием дополнительных дефектов в структуре оксида – центров адсорбции и активации субстрата. В ряде работ отмечается, что в ходе спилловера водорода увеличивается проводимость оксидной подложки – полупроводника n- или р-типа, т.е. спилловер подразумевает перенос заряда от атома H• на носитель. Ранее нами была разработана каталитическая система, представляющая собой наночастицы платины, нанесенные на церий-циркониевый смешанный оксид (CeO2-ZrO2). Уникальность данной системы состоит в наноразмерном высокодефектном носителе (сочетающего широкозонный проводник CeO2 и изолятор ZrO2 в случае чистых массивных оксидов), взаимодействие которого с наночастицами Pt, обуславливает эффект спилловера водорода с крайне высоким соотношением Н2/Pt > 11 моль/моль, причем спилловер водорода наблюдается в интервале температур -50 - +25оС. Таким образом, активация водорода происходит уже при отрицательных температурах. Чем ниже температура активации водорода, тем более мягкие условия требуются для проведения реакции гидрирования. К сожалению, на сегодняшний день, нет примеров других смешанных оксидных систем, использующихся в качестве подложек катализаторов, для которых наблюдаются подобные эффекты. Однако создание таких наноразмерных материалов несомненно представляет научный интерес и огромный потенциал практического применения. В настоящем проекте впервые будут разработаны каталитические системы, представляющие собой наночастицы переходных металлов (Pt, Cu), нанесенные на смешанные наноразмерные оксиды различной природы: комбинация широкозонного проводника CeO2 и изолятора SiO2, комбинация двух типов широкозонных полупроводников CeO2-TiO2 и CeO2-ZnO. Взаимодействие компонентов смешанного оксида в наноразмерном состоянии может влиять не только на полупроводниковые свойства самого материала, но также приводит к формированию дефектной структуры смешанного оксида. Ключевым моментом настоящей работы явялется исследование способности Pt и Cu катализаторов, нанесенных на смешанные оксиды CeO2-SiO2, CeO2-TiO2, CeO2-ZnO, к инициированию спилловера водорода, а также исследование их активности в реакции гидрирования широкого круга субстратов различного строения: О-содержащие соединения, нитро-соединения, нитрилы. Влияние взаимодействия нанесенных наночастиц переходных металлов с такого рода смешанными оксидами на их каталитические свойства в реакциях гидрирования практически не изучалось ранее.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут получены новые типы наноразмерных смешанных оксидных систем на базе комбинаций, одним из компонентов которых является легковосстанавливающийся оксид церия (CeO2-SiO2, CeO2-TiO2, CeO2-ZnO). Такие смешанные оксиды будут использованы как носители наночастиц переходных металлов (Pt, Cu), активных в реакциях гидрирования. Таким образом, будут получены новые наноматериалы, взаимодействие которых с водородом проявляется эффектом низкотемпературного спилловера Н2, а следовательно, его низкотемпературной активации. Разработка таких каталитических систем позволит создать новый тип катализаторов низкотемпературного гидрирования различных классов органических соединений (О и N-содержащих молекул), что является необходимым заделом для внедрения новых энергоэффективных и атом-экономичных процессов как в органическом, так и в нефтехимическом синтезе.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ