Молекулярный дизайн гетерогенных катализаторов для производства, хранения и транспортировки высокочистого водорода

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 19-73-20020

НазваниеМолекулярный дизайн гетерогенных катализаторов для производства, хранения и транспортировки высокочистого водорода

Руководитель Каичев Василий Васильевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" , Новосибирская обл

Конкурс №31 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ

Ключевые слова фотокатализ, производство водорода, хранение водорода, EXAFS, наноструктуры, гетерогенный катализ, гидрирование, дегидрирование

Код ГРНТИ31.15.28

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Возрастающий интерес к использованию альтернативных источников энергии и энергоносителей определяет необходимость разработки подходов к получению и запасанию водорода. Несмотря на свою привлекательность, водород достаточно сложно и дорого хранить и транспортировать, что существенно ограничивает развитие технологий на его основе. Для его хранения в связанном состоянии предложены различные подходы, включая использование сорбентов и химических гидридов, однако их эффективность и возможность использования ограничена. Наиболее перспективным на настоящий момент представляется направление, основанное на аккумулировании водорода в виде насыщенных углеводородов, удобных для транспортировки, и последующем выделении водорода путем каталитического дегидрирования. Одновременно с задачей запасания водорода проект направлен на разработку экологически чистого способа получения водорода с помощью фотокаталитических процессов, позволяющих напрямую преобразовывать солнечную энергию в энергию энергонасыщенных химических соединений. Следует отметить, что одновременно с генерацией водорода за счет использования доступных органических и неорганических доноров электронов, находящихся в водных растворах, решаются важные экологические проблемы по очистке воды от загрязнителей самой разной природы. Кроме того, за счет концентрирования водорода и его последующего аккумулирования в виде насыщенных углеводородов решается вопрос низкой концентрации водорода при фотокаталитическом получении, а в результате дегидрирования углеводородов появляется возможность получать высокочистый водород. Фактически разрабатываемые подходы по получению и хранению водорода могут рассматриваться как основа будущей водородной экономики. Одним из основных факторов, сдерживающих осуществление и внедрение как фотокаталитического способа получения водорода, так и предлагаемого подхода по его аккумулированию, является отсутствие эффективных катализаторов для данных процессов. Поэтому ключевые задачи проекта заключаются в разработке подходов молекулярного дизайна фотокатализаторов и катализаторов гидрирования/дегидрирования углеводородов. В настоящей работе планируется изучить влияние целого ряда допирующих элементов (Au, Pt, Pd, Cu, Ni, Ag) на активность диоксида титана в модификации анатаза и рутила в процессах фотокаталитического выделения водорода с использованием органических доноров электронов, имитирующих загрязнители воды (тиазиновый краситель метиленовый синий и глицерин). Чаще всего фотокаталитическое получение водорода исследуется в присутствии полупроводниковых систем на основе сульфида кадмия или платинированного диоксида титана, в то время как фотокатализаторы на основе диоксида титана и различных d-металлов мало изучены. Запасание водорода в виде насыщенных углеводородов и последующее его выделение планируется проводить в процессах каталитического гидрирования толуола и дегидрирования циклоалкана - метилциклогексана. Для реализации данных процессов предлагается разработать модифицированные никелевые катализаторы с использованием оригинальной гетерофазной золь-гель методики, обеспечивающей сильное взаимодействие компонентов. При разработке таких катализаторов основное внимание будет уделено решению двух проблем: увеличение стабильности катализаторов и увеличение селективности, что позволит обеспечить полноту использования углеводорода и извлечения водорода. Для исследования катализаторов будет использован широкий комплекс современных физико-химических методов (РФА, РФЭС, электронной просвечивающей микроскопией, электронной оптической спектроскопией, EXAFS и XANES), который позволит установить корреляции между каталитическими характеристиками разрабатываемых систем и составом и структурой активного компонента. В частности, применение методов EXAFS и XANES, позволяющих изучать наночастицы, кластеры, кристаллические и аморфные тела при атмосферном давлении, сложные многокомпонентные системы, обеспечит уникальную информацию об атомарном строении катализаторов. Будут также проведены in situ исследования в условиях близких к реальному катализу или в модельной восстановительной среде, что позволит детально разобраться в превращениях катализаторов, протекающих в ходе их эксплуатации. На основе этого будут разработаны подходы к молекулярному дизайну катализаторов с целью оптимизации их состава и условий приготовления, что в свою очередь позволит повысить их эффективность и стабильность в рассматриваемых типах процессов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Куренкова А.Ю., Козлова Е.А., Каичев В.В. Фотокаталитическое получение водорода из водных растворов глицерина под действием УФ-излучения: зависимость активности от параметров проведения процесса Кинетика и катализ, 61, 6, 812-817 (год публикации - 2020)
10.31857/S0453881120060052

2. Марковская Д.В., Журенок А.В., Куренкова А.Ю., Кремнева А.М., Сараев А.А., Захаров С.М., Козлова Е.А., Каичев В.В. New titania-based photocatalysts for hydrogen production from aqueous-alcoholic solutions of methylene blue RSC Advances, 10, 34137-34148 (год публикации - 2020)
10.1039/d0ra07630a

3. Куренкова А.Ю., Кремнева А.М., Сараев А.А., Мурзин В., Козлова Е.А., Каичев В.В. Influence of thermal activation of titania on photoreactivity of Pt/TiO2 in hydrogen production Catalysis Letters (год публикации - 2020)
10.1007/s10562-020-03321-w

4. Козлова Е.А., Куренкова А.Ю., Герасимов Е.Ю., Громов Н.В., Медведева Т.В., Сараев А.А., Каичев В.В. Comparative study of photoreforming of glycerol on Pt/TiO2 and CuOx/TiO2 photocatalysts under UV light Materials Letters, 283, 128901 (год публикации - 2021)
10.1016/j.matlet.2020.128901

5. Журенок А.В., Куренкова А.Ю., Марковская Д.В., Черепанова С.В., Каичев В.В., Козлова Е.А. Photocatalytic Hydrogen Production from Aqueous Solutions of Methylene Bue under UV Light over Cu Modified TiO2 Catalysis: From Science to Industry: Proceeding of VI international scientific school-conference for young scientists Сборник, Ivan Fedorov. 2020. 108 c. ISBN 9785917011455., 75 (год публикации - 2020)

6. Гуляева Ю.К., Алексеева М.В., Булавченко О.А., Кремнева А.М., Сараев А.А., Герасимов Е.Ю., Селищева С.А., Каичев В.В., Яковлев В.А. Ni–Cu High‐Loaded Sol–Gel Catalysts for Dehydrogenation of Liquid Organic Hydrides: Insights into Structural Features and Relationship with Catalytic Activity Nanomaterials, 11, 2017, 1-21 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11082017

7. Гуляева Ю.К., Алексеева М.В., Булавченко О.А., Кремнева А.М., Герасимов Е.Ю., Каичев В.В., Яковлев В.А. Биметаллические высокопроцентные NiCu и NiZn катализаторы дегидрирования органических носителей водорода: структурные особенности и каталитическая активность IV Российский конгресс по катализу «РОСКАТАЛИЗ»: Сборник тезисов, стр. 307-308 (год публикации - 2021)

8. Гуляева Ю.К., Алексеева М.В., Булавченко О.А., Кремнева А.М., Каичев В.В., Яковлев В.А. High-Loaded NiCu Sol-Gel Catalysts for Dehydrogenation of Liquid Organic Hydrogen Carriers 6th International School-Conference on Catalysis for Young Scientists «Catalyst Design: From Molecular to Industrial Level»: Abstracts, стр. 220-221 (год публикации - 2021)

9. Куренкова А.Ю., Журенок А.В., Сараев А.А., Козлова Е.А. The effect of TiO2 calcination for CuS/TiO2 photocatalyst on hydrogen evolution rate Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2021. [Электронный ресурс]: тезисы докладов VIII Международной молодежной научной конференции, Екатеринбург, 17-21 мая 2021 г. Сборник, УрФУ. 2021. 1215 c., С. 824-825 (год публикации - 2021)

10. Куренкова А.Ю., Яковлева А.Ю., Сараев А.А., Герасимов Е.Ю., Козлова Е.А., Каичев В.В. Copper-modified titania-based photocatalyst for the efficient hydrogen evolution under UV- and visible light from aqueous solutions of glycerol Nanomateerials, 12, 3106 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12183106

11. Алексеева М.В., Гуляева Ю.К., Булавченко О.А., Сараев А.А., Кремнева А.М., Степаненко С.А., Коскин А.П., Каичев В.В., Яковлев В.А. Promoting effect of Zn in high-loaded Zn/Ni-SiO2 catalysts for selective hydrogen evolution from methylcyclohexane Dalton Transactions, 51, 6068-6085 (год публикации - 2022)
10.1039/d2dt00332e

12. Степаненко С.А., Коскин А.П., Алексеева М.В., Каичев В.В., Яковлев В.А. Высокоселективные каталитические системы на основе никеля для процесса дегидрирования жидких органических носителей водорода Тезисы конференции «Водород как основа низкоуглеродной экономии», 27 ноября - 2 декабря 2022, Шерегеш, Россия, 1,47 (год публикации - 2022)

Публикации