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 проекта 19-13-00129
НазваниеСоздание новых наноразмерных катализаторов окислительных превращений сернистых соединений тиофенового ряда для развития фундаментальных основ инновационных принципов очистки моторных топлив до стандарта EURO-5
Руководитель Исмагилов Зинфер Ришатович, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук" , Кемеровская обл (Кузбасс)
Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ
Ключевые слова углеродные материалы; углеродные нановолокна; углеродные нанотрубки; аморфные углеродные материалы; углеродные наноматериалы, допированные азотом; углеродные наноматериалы, допированные серой; гетерогенный катализ; катализатор; носитель; наночастицы металлов; активный компонент; тиофен; бензотиофен; дибензотиофен; окислительная десульфуризация; кинетика; механизм окисления
Код ГРНТИ31.15.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Целью проекта является создание научных основ синтеза новых катализаторов на основе модифицированных гетероатомами углеродных наноматериалов с нанесенными наночастицами металлов для окислительных превращений сернистых соединений тиофенового ряда.
Актуальность проекта определяется необходимостью разработки новых эффективных технологий получения топлив с содержанием серы на уровне 50 (ЕВРО-4) и 10 (ЕВРО-5) ppm, а для этого требуется удаление наиболее устойчивых сернистых соединений, таких как бензотиофен, дибензотиофен и их алкилзамещенные производные. Окислительная конверсия сернистых соединений является перспективным процессом, обеспечивающим глубокую очистку топлива от сернистых соединений. В рамках развития фундаментальных основ инновационных принципов очистки моторных топлив до стандарта EURO-5 в первую очередь необходимо создание новых наноразмерных катализаторов для окислительных превращений сернистых соединений тиофенового ряда в мягких условиях с использованием недорогого окислителя – молекулярного кислорода.
В данном проекте носители катализаторов будут создаваться на основе целенаправленно синтезированных углеродных наноматериалов (УНМ) – углеродных нановолокон (УНВ) и углеродных нанотрубок (УНТ), аморфных углеродных материалов (АУМ). Углеродные наноматериалы будут модифицированы азотом и серой для создания особых каталитических центров и для стабилизации наночастиц активных компонентов. В качестве высокодисперсных активных компонентов будут взяты благородные металлы и металлы переходного периода. Использование УНМ с различными физико-химическими характеристиками в качестве носителей катализаторов позволит управлять функциональными свойствами нанесенного активного компонента в отношении активности, селективности и стабильности.
Высокий потенциал данных каталитических систем обусловлен их уникальными электронными и структурными свойствами, что, как предполагается, обеспечит активацию реагентов при атмосферном давлении и низких значениях температуры процесса. Известно, что азот-содержащие углеродные материалы даже без нанесенного активного компонента проявляют заметную активность в реакции окисления сероводорода. В этой связи ожидается высокая эффективность (N, S)-УНМ и в окислительных превращениях сернистых соединений тиофенового ряда. Нанесение металл-содержащего активного компонента на УНМ обеспечит дальнейшее улучшение каталитических свойств системы. Впервые будет исследована возможность регулирования функциональных свойств металл-углеродных материалов в окислительных превращениях сернистых соединений тиофенового ряда путем изменения типа и содержания гетероатома (N, S), дефектности структуры, типа, содержания и форм стабилизации металла в углеродной матрице. Систематическое исследование физико-химических свойств металл-углеродных катализаторов в зависимости от состава и условий приготовления материалов позволит создать научные основы целенаправленного синтеза новых эффективных наноструктурированных катализаторов окисления сернистых соединений тиофенового ряда.
Создание эффективных каталитических систем для окислительных превращений сернистых соединений по своему объему и фундаментальности является весьма трудоемкой задачей и сопоставимо с масштабом исследований, ранее выполненных при разработке современных катализаторов гидроочистки. Для решения данной задачи в рамках выполнения проекта планируется проведение комплексных исследований, включающих скрининг катализаторов на основе большого числа носителей, изучение кинетики и детального механизма реакций окисления сернистых соединений тиофенового ряда, исчерпывающего изучения состава и строения активных центров, в том числе комплексом физико-химических методов in situ и расчетами по теории функционала плотности (DFT - density functional theory).
Научная новизна проекта заключается в разработке принципиально новых катализаторов на основе модифицированных гетероатомами углеродных наноматериалов с нанесенными наночастицами металлов для окислительных превращений сернистых соединений тиофенового ряда и включает:
1. использование широкого набора углеродных наноматериалов (УНМ), модифицированных гетероатомами N и S, в качестве катализатора и носителя катализаторов окислительных превращений сернистых соединений тиофенового ряда
2. рецептуры, методы нанесения и стабилизации наночастиц активного компонента на УНМ
3. методы регулирования функциональных свойств металл-углеродных материалов в окислительных превращений сернистых соединений тиофенового ряда путем изменения типа и содержания гетероатома, дефектности структуры, типа, содержания и форм стабилизации металла в углеродной матрице.
4. кинетика и механизм реакции окисления сернистых соединений тиофенового ряда на полученных новых катализаторах;
Коллектив проекта состоит из трех групп высококвалифицированных ученых.
В области синтеза модифицированных углеродных наноматериалов в 2017 году успешно завершен цикл научно-исследовательских работ в рамках соглашения № 15-13-10043 с РНФ по теме «Создание научных основ синтеза системного ряда углеродных наноматериалов, модифицированных гетероатомами, исследование их свойств и целенаправленная функционализация наночастицами металлов и оксидов для оригинальных приложений в катализе и электрохимии», за 2015-2017 годы опубликовано 17 статей в журналах цитируемых в WoS и Scopus и дополнительно 8 статей, индексируемых РИНЦ. На основе многолетнего опыта коллектива в области синтеза модифицированных углеродных наноматериалов (УНМ) будут применены новые методы введения азота и серы в структуру УНМ.
В области синтеза высокодисперсных катализаторов, в том числе на углеродных носителях, накоплен многолетний опыт, опубликованы более 100 статей, получены десятки патентов РФ и патент в Японии (JP2005135817). Успешно выполнены исследования в составе международного коллектива в рамках FP7 “DEMCAMER” №NMP3-LA-2011-262840 и в рамках выполнения российско–индийского проекта РФФИ №15-53-45039 ИНД_а. В проекте будут использованы новые авторские методы нанесения и стабилизации высокодисперсных металлов на гетероатомных центрах модифицированных УНМ.
В области очистки моторных топлив от сернистых соединений коллективом накоплен большой опыт по синтезу катализаторов гидроочистки и по исследованию этого процесса, опубликованы множество статьей и получено 5 патентов РФ. Успешно выполнен международный контракт с ведущей западной нефтеперерабатывающей компанией по окислительной десульфуризации (ОДС) на оксидных катализаторах, получены 3 патента в США и 15 патентов в других странах. В данном проекте окислительные превращения сернистых соединений тиофенового ряда впервые будут исследоваться на катализаторах, разработанных на УНМ, и механизм реакции на этих новых системах также впервые будет исследован широким набором физико-химических методов и методом DFT. Участники проекта имеют богатый опыт исследования катализаторов комплексом физико-химических методов.
Создание в рамках проекта новых эффективных катализаторов окислительных превращений сернистых соединений тиофенового ряда будет служить базисом для разработки безводородных технологий очистки топлив от сернистых соединений вместо традиционной гидроочистки. В последние годы крупные западные производители моторных топлив, компании производители катализаторов, а также ведущие академические и университетские лаборатории начали интенсивные исследования по безводородной окислительной очистке дизельных фракций от сернистых соединений топлив, что подтверждает актуальность данного проекта.
В завершении фундаментальных исследований проекта будут разработаны методики закрепления углеродных наноматериалов на твердых высокопористых носителях и синтеза катализатора оптимального состава на этих носителях. Будет разработан лабораторный регламент на производство опытной партии оптимального катализатора на углеродных наноматериалах закрепленных на твердый носитель. В целом на основании полного цикла исследований будут созданы принципиально новые отечественные высокоактивные и селективные катализаторы для использования в процессе сероочистки моторных топлив до ультранизких показателей содержания серы.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. З.Р. Исмагилов, С.А. Яшник, Н.В. Шикина, Е.В. Матус, О.С. Ефимова, А.Н. Попова, А.П. Никитин Effect of Acid Treatment on the Functionalization of Surface, Structural and Textural Properties of Carbon Nanotubes Taunit Eurasian Chemico-Technological Journal, Vol. 21 (2019), pp. 291‒301 (год публикации - 2019)
2. Е.В. Матус, Л.М. Хицова, О.С. Ефимова, С.А. Яшник, Н.В. Шикина, З.Р. Исмагилов Preparation of carbon nanotubes with supported metal oxide nanoparticles: effect of metal precursor on thermal decomposition behavior of the materials Eurasian Chemico-Technological Journal (год публикации - 2019)
3. Ефимова Ольга, Никитин Андрей, Матус Екатерина, Исмагилов Зинфер ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРАЛОВ КОМПЛЕКСОМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ГРАФЕН И РОДСТВЕННЫЕ СТРУКТУРЫ: СИНТЕЗ, ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ, материалы III Международной на- учно-практической конференции: 13 - 15 ноября 2019, 280 с. С.118 - 119. (год публикации - 2019)
4. Сальников А.В., Яшник С.А., Керженцев М.А., Исмагилов З.Р. Закономерности сорбции сернистых соединений на углеродных материалах Труды 21-го Менделеевского съезда по общей и прикладной химии (год публикации - 2019)
5. Никитин А.П., Исмагилов З.Р. Спектроскопия комбинационного рассеяния света при изучении структурных особенностей строения углеродного каркаса ископаемых углей и углеродных материалов. Материалы VIII Международного российско-казахстанского симпозиума "Углехимия и экология Кузбасса" (год публикации - 2019)
Публикации
1.
З.Р. Исмагилов, Е.В. Матус, О.С. Ефимова, Л.М. Хицова, А.Н. Попова, А.П. Никитин, С.А. Созинов
The Development of Metal-Carbon Catalysts for Oxidative Desulfurization of Diesel Fractions
Eurasian Chemico-Technological Journal, V. 22, N.2, p. 81‒88 (год публикации - 2020)
10.18321/ectj954
2. Матус Е.В., Ефимова О.С., Попова А.Н., Никитин А.П., Созинов С.А., Исмагилов З.Р. The optimization of preparation mode of metal-carbon catalysts for oxidative desulfurization of diesel fractions IOP: Conference Series (год публикации - 2020)
3.
Охлопкова Л.Б., Ефимова О.С., Хицова Л.М., Исмагилов З.Р.
Preparation of carbon nanotubes with deposited bimetallic oxide nanoparticles: the effect of a metal precursor on the functional composition of the support surface and its stability to thermal decomposition
Chemistry for Sustainable Development, N. 6, V. 28, P. 583–592 (год публикации - 2020)
10.15372/KhUR2020266
4.
З. А. МАНСУРОВ, А. П. НИКИТИН, Г. Ю. СИМЕНЮК, Ю. А. ЗАХАРОВ, В. В. ПАВЛЕНКО, З. Р. ИСМАГИЛОВ
Investigation of the Structural Features and Capacitive Parameters of Carbon Materials Based on Carbonized Rice Husk
Chemistry for Sustainable Development, N.4, V. 28, P. 407–416 (год публикации - 2020)
10.15372/KhUR2020245
Публикации
1.
Матус Е.В. Ефимова О.С., Попова А.Н., Никитин А.П., Созинов С.А., Исмагилов З.Р.
The Optimization of Preparation Mode of Metal-Carbon Catalysts for Oxidative Desulfurization of Diesel Fractions
Journal of Physics: Conference Series, V.1749. 012022:1-8. (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1749/1/012022
2.
Подъячева О.Ю., Субоч А.Н., Яшник С.А., Сальников А.В., Черепанова С.В., Кибис Л.С., Сименюк Г.Ю., Романенко А.И., Исмагилов З.Р.
Влияние структуры и состояния поверхности углеродных нанотрубок, допированных азотом, на их функциональные и каталитические свойства
Журнал структурной химии, №5. Т.62. С.827-838. (год публикации - 2021)
10.26902/JSC_id72907
3.
Подъячева О.Ю., Субоч А.Н., Яшник С.А., Сальников А.В., Черепанова С.В., Кибис Л.С., Сименюк Г.Ю., Романенко А.И., Исмагилов З.Р.
Effect of Structure and Surface State of Nitrogen Doped Carbon Nanotubes on Their Functional and Catalytic Properties
Journal of Structural Chemistry, N5. V.62. P.771–781. (год публикации - 2021)
10.1134/S0022476621050139
4.
Охлопкова Л.Б., Хицова Л.М., Исмагилов З.Р.
Получение биметаллических оксидных катализаторов на углеродных носителях: влияние носителя на устойчивость катализаторов к термическому разложению
Химия в интересах устойчивого развития, №5. Т.29. С.597–603 (год публикации - 2021)
10.15372/KhUR2021336
5. Матус Е.В., Яшник С.А., Сальников А.В., Хицова Л.М., Попова А.Н., Никитин А.П., Созинов С.А., Исмагилов З.Р. Genesis and properties of MOx/CNTs (M = Ce, Cu, Mo) catalysts for aerobic oxidative desulfurization of a model diesel fuel Eurasian Chemico-Technological Journal (год публикации - 2021)
6.
Охлопкова Л.Б., Хицова Л.М., Исмагилов З.Р.
Preparation of Bimetallic Oxide Catalysts on Carbon Supports: The Effect of the Support on the Stability of Catalysts to Thermal Decomposition
Chemistry for Sustainable Development, N5. V.29. 582–588. (год публикации - 2021)
10.15372/CSD2021336
7.
Шикина Н.В., Исмагилов З.Р.
Синтез и исследование новых гибридных материалов на основе углеродных нановолокон и твердых структурированных носителей
Химия в интересах устойчивого развития, №5. Т.29. С.627–636. (год публикации - 2021)
10.15372/KhUR2021340
8.
Шикина Н.В., Исмагилов З.Р.
Synthesis and Investigation of New Hybrid Materials Based on Carbon Nanofibres and Solid Structured Carriers
Chemistry for Sustainable Development, N5. V.29. 611–620 (год публикации - 2021)
10.15372/CSD2021340
9. Охлопкова Л.Б., Хицова Л.М., Исмагилов З.Р. Получение углеродных нанотрубок с нанесенными наночастицами биметаллического оксида: влияние прекурсора металла и носителя на устойчивость к термическому разложению Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», “Графен и родственные структуры: синтез, производство и применение” материалы IV Международной научно-практической конференции / под общ. ред. оргкомитета ; , 6 – 8 октября 2021 г. , стр. 427-432 (год публикации - 2021)
10. Сальников А.В., Яшник С.А., Исмагилов З.Р. Окислительное каталитическое превращение сернистых соединений на углеродных наноматериалах Сборник тезисов докладов XII Российской конференции «Актуальные проблемы нефтехимии», г. Грозный. – М.: ИНХС РАН, C.210-211.C-I-8 (год публикации - 2021)
11. Сальников А.В., Яшник С.А., Исмагилов З.Р. Окислительное каталитическое обессеривание ДБТ на углеродных нанотрубках РОСКАТАЛИЗ. IV Российский конгресс по катализу : Сборник тезисов докладов. (20‐25 сентября 2021 г., Казань, Россия) – Новосибирск : Институт катализа СО РАН, 2021., C.257-258.УД-IV-8 (год публикации - 2021)