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 20-73-00151

НазваниеРазработка новых функциональных материалов для плазмон-индуцируемых трансформаций CO2 и его рационального использования

Руководитель Гусельникова Ольга Андреевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №49 - Конкурс 2020 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова функциональные материалы, плазмонный катализ, метал-органические каркасные структуры, диоксид углерода

Код ГРНТИ31.15.37

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Основной целью проекта является создание плазмон-активных каталитических гибридных систем на основе металлических наночастиц (НЧ) (Au, Ag, Cu) и их использование в плазмон-индуцируемых реакциях присоединения СО2. Поверхность НЧ будет модифицирована функциональными группами для фиксации СО2 с целью его последующей активации. Так, на поверхность будут привиты азотсодержащие органические основания и тонкие пленки металл-органических каркасов (МОФ). Получены уникальные гибридные структуры будут использоваться для селективного захвата СО2, его активации с помощью возбуждения плазмонного резонанса с последующим использованием в реакциях присоединения СО2 к органическим молекулам (эпоксидам и производным пропаргилового спирта) для получения циклических карбонатов различной структуры. Проблема захвата и утилизации СО2, как основного компонента парниковых газов является на сегодняшний день чрезвычайно актуальной из-за ежегодного предупреждения о быстром изменении климата, которое влечет за собой опасность как для экосистемы, так и для жизни людей [С. Zhang et al., Coord. Chem. Rev., 2019, 386, 154-182; A. Denzer et al., Renew. Sust. Energ. Rev., 2020, 117, 109480]. Не смотря на значительные научные и технологические успехи в этой области, ряд ключевых проблем остается нерешенными. Так, например, существующие методы утилизации CO2 связаны с жесткими условиями проведения процесса (высокие температура и давление) и использованием дорогих и труднодоступных адсорбентов и катализаторов, отличающихся низкой селективностью захвата и приводящих к образованию побочных продуктов [B. Navarrete et al., Energ. Sources, Part A, 2019, 41(12), 1403-1433]. Поэтому поиск альтернативных, более эффективных и экономичных путей конверсии СО2 является общемировым трендом. Одна из перспективных альтернатив - использование феномена возбуждения поверхностного плазмона на наночастицах металлов [S. Linic, S. Et al., Nature Catalysis, 2018, 1(9), 656-665.]. Локализованный плазмонный резонанс способен вступать во взаимодействие с окружающими молекулами и оказывать колоссальное влияние на химические превращения, в том числе преодолевать барьеры классического гетерогенного катализа. На сегодняшний день, большинство плазмон-активных материалов, используемых для превращений СО2 представляют собой комбинацию оксида титана с благородными металлами [J. Wang, Adv. Mat., 2018, 30(48), 1802227]. Такие системы нацелены исключительно на восстановление СО2 и их использование чаще всего приводит к образованию смеси продуктов CH4, СО, CH3OH, HCHO, и C2H6 [J. Wang, Adv. Mat., 2018, 30(48), 1802227]. Поэтому стоит проблема увеличение селективности плазмонных превращений, которая на сегодняшний день частично решается выбором длины волны освещения или введением дополнительного металла [D. K. Lim et al., Nano letters, 2016, 16(3), 1760-1767]. Не менее остро стоит вопрос расширения круга возможных трансформаций СО2 для получения полезных продуктов [Denzer et al., Renew. Sust. Energ. Rev., 2020, 117, 109480]. Вопрос селективности может быть решен с помощью дизайна функциональных материалов на основе плазмон-активных поверхностей с привитыми органическими функциональными группами. Таким образом, предложенный проект предполагает комбинацию плазмон-активных наночастиц и привитых функциональных слоев для создания гибридных материалов и систем с их последующим использованием в утилизации СО2 с помощью плазмонного катализа. Введение дополнительных функциональных слоев, которые будут представлять собой азотсодержащие органические основания и тонкие слои МОФ, способно не только повысить селективность реакции за счет специфической адсорбции и обеспечить дополнительные каталитические центры. Данные каталитические центры откроют возможности для реализации альтернативных реакций присоединения СО2 и разработке эффективных подходов для получения карбонатов различной структуры. В рамках проекта впервые будут разработаны методы получения таких гибридных структур, изучены фундаментальные параметры контролируемого роста слоев МОФ на НЧ металлов. Впервые будут разработаны мягкие методы активации адсорбированного СО2 эванесцентной плазмонной волной, проведены систематические экспериментальные и расчётные исследования реакций плазмон-индуцируемого (цикло)присоединения СО2 для установления механизма процесса. Разработанные методы приведут к получению карбонатов различной структуры из эпоксидов и производных пропаргилового спирта в мягких условиях (нормальные температура и давление) при освещении реакционной массы светодиодом и подачей СО2. Разработанные технологии будут перенесены на более дешевые плазмон-активные НЧ (Ag, Cu), а также будет проведена дополнительная оптимизация параметров реакции присоединения СО2, в том числе исследование возможности использования симуляторов солнечного света для проведения реакций. Разработка новых методов и походов к функциональным плазмон-активным материалам в комбинации с актуальностью использования парниковых газов позволит в максимально возможной степени раскрыть огромный потенциал плазмонной химии в зеленых технологиях.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---