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 21-13-00094

НазваниеФундаментальные аспекты каталитической химии в системах на основе металлов платиновой группы, оксида церия и углеродных наноматериалов

Руководитель Боронин Андрей Иванович, 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 №55 - Конкурс 2021 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 палладий, платина, родий, оксид церия, наночастицы, кластеры, атомарные состояния, углеродные наноматериалы, допирование азотом, интерфейсы, дефекты, катализаторы, низкотемпературное окисление СО, окисление СО в парах воды

Код ГРНТИ31.15.28

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на установление фундаментальных аспектов и разработку физико-химических основ формирования активных центров в каталитических системах на основе металлов платиновой группы (МПГ- Pt, Pd, Rh), оксида церия и углеродных наноматериалов для создания новых высокоэффективных катализаторов реакций низкотемпературного окисления. С помощью наноструктурированных углеродных носителей будет реализован новый подход контролируемого формирования активных центров в виде ионов, кластеров и наночастиц, включая интерфейсы металл/оксид (МПГ-CeO2) регулируемого состава и размера, для установления их каталитических свойств в реакции низкотемпературного окисления СО. Научная значимость решения обозначенной проблемы состоит в развитии как теоретических основ окислительного гетерогенного катализа, так и в создании новых материалов на основе металлов платиновой группы и оксида церия, обладающих в совокупности уникальными каталитическими свойствами. Значительный теоретический вклад в окислительный катализ будет связан с формулированием требований к каталитическим системам металл-оксид-углерод, обеспечивающим эффективное протекание реакций с низкими значениями энергии активации. С практической точки зрения разработка новых концепций низкотемпературного окисления плотно связана с разработкой катализаторов очистки замкнутых помещений и нейтрализации вредных газов промышленности. Актуальность обозначенной проблемы связана с (1) высокой востребованностью систем на основе благородных металлов и оксида церия для широкого ряда промышленно важных реакций и устройств (очистка вредных выбросов, фотокатализ, процессы риформинга, топливные элементы, водородная энергетика, медицинское применение) и (2) необходимостью создания катализаторов нового поколения, превосходящих существующие по активности, стабильности, а также экономичности. Особенностью активных систем типа МПГ-СеО2 является возможность формирования широкого спектра структур таких как металлические наночастицы и кластеры на поверхности СеО2, а также ионные формы активного компонента, диспергированные до атомарного состояния как на поверхности, так и в объеме СеО2. На сегодняшний день основной объем экспериментальных данных о системах МПГ-СеО2 получен при использовании частиц CeO2 с размерами 10 нм и более, когда частицы CeO2 достаточно хорошо окристаллизованы и содержат относительно небольшое число кислородных вакансий. Синтез и стабилизация кластеров и атомарных форм является сложной научной задачей, которая в данном проекте будет решаться путем использования наноструктурированных углеродных носителей, имеющих различные дефекты для взаимодействия с активными компонентами МПГ и СеО2. Различные типы и концентрация дефектов будут варьироваться путем формирования углеродных форм в виде коаксиально-цилиндрических, коаксиально-конических, стопчатых и бамбукоподобных структур, а также используя допирование азотом. Соответственно, в синтезе катализаторов будут использоваться как исходные, так и допированные азотом углеродные нанотрубки и нановолокна. Углеродные наноматериалы будут выполнять роль стабилизаторов МПГ-CeO2 активных компонентов в высокодисперсных формах в кластерном и атомарном состояниях. В силу своих уникальных физико-химических свойств углеродные наноматериалы будут интенсифицировать электронные переходы на сформированных в каталитической системе интерфейсах. При переходе к кластерам и атомам, как предполагается, возможно образование новых типов структур и интерфейсов различной стехиометрии, которые существенным образом будут определять активность новых катализаторов. Исследование таких интерфейсов и кластерных структур является важным и необходимым условием для создания нового поколения эффективных катализаторов различного назначения. В качестве металлов наиболее актуально использование палладия, платины и родия: палладий обеспечивает образование совместных гомогенных растворов PdxCe1-xO2-d с активацией кислорода решётки частиц CeO2, в то время как платина характеризуется образованием ионных и кластерных форм непосредственно на поверхности CeO2. Родий характеризуется всем набором форм с различным вкладом в зависимости от условий. Такая «объемная» и «поверхностная» специфика металлов во взаимодействии с CeO2 позволит установить весь возможный набор каталитически активных структур и провести сопоставление с каталитическими механизмами их действия. Особый акцент в работе будет сделан на соотношении металлических, оксидных и ионных состояний металлов, а также на соотношении изолированный ион/кластер на поверхности CeO2. Для реализации данного подхода в проекте будут отработаны методики синтеза, позволяющие наносить смешанные компоненты Pd-CeO2, Pt-СеО2 и Rh-CeO2 с различной дисперсностью и с различным соотношением Pd, Pt, Rh/CeO2 в широких пределах, что позволит существенно развить химию смешанных систем МПГ- CeO2. В проекте планируется детальное исследование объема и поверхности тройных систем МПГ-CeO2-C с применением структурных (РФА, ПЭМ), спектральных (РФЭС, EELS, СКР) и морфологических (ПЭМ, EDX-картирование, хемосорбция СО, поверхность) методов. Для описания интерфейсов Pd (Pt, Rh)-CeO2-C дополнительно будет использоваться метод РФА на синхротронном излучении (РФА СИ) в Сибирском Центре Синхротронного Излучения, который чувствителен к наноразмерным объектам и кластерам и дает информацию о тонкой структуре. Каталитические исследования будут проведены с применением метода термопрограммированной реакции ТПР-СО+О2 (метод light-off) в проточном реакторе с масс-спектрометрическим методом анализа. Особое внимание будет уделено изучению активности полученных катализаторов в реакции окисления СО в присутствии паров воды. В проекте планируется достижение температуры зажигания реакции окисления СО на наиболее активных катализаторах ниже комнатной, что позволит провести исследование устойчивости синтезируемых каталитических систем МПГ-СеО2-С к парам воды в процессе окисления СО непосредственно при комнатной температуре. Таким образом, в ходе проекта с применением каталитических систем МПГ-CeO2-C будут получены новые фундаментальные знания о природе активных центров различной стехиометрии в широком структурном интервале: наночастица – кластер – атом; и установлены факторы, определяющие катализ на нано-, суб-нано и атомарном уровне. Полученные результаты позволят сформулировать физико-химические основы для синтеза эффективных катализаторов низкотемпературного окисления СО нового поколения.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---