Новые гибридные мезопористые материалы для фотокаталитической конверсии СО2 в ценные химические продукты

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 23-23-00662

НазваниеНовые гибридные мезопористые материалы для фотокаталитической конверсии СО2 в ценные химические продукты

Руководитель Садовников Алексей Александрович,

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

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

Ключевые слова фотокатализаторы, диоксид титана, наноматериалы, фотовосстановление, СО2, мезопористые материалы, углеводороды, композитные материалы, цеолиты

Код ГРНТИ44.09.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной задачей проекта является решение фундаментальной задачи в области переработки углекислого газа в химические продукты с использованием фотокатализа: разработку подходов к синтезу высокоэффективных фотокаталитических систем на основе диоксида титана, обеспечивающих получение метанола, формальдегида, муравьиной кислоты и других ценных химических продуктов. Указанная задача предполагает проведение исследований, направленных, прежде всего, на синтез композитных титансодержащих материалов. Указанные материалы будут представлять собой Ti-Si пористые системы, TiO2 нанесенный на цеолитный носитель, а также допированный диоксид титана различными элементами, нанесенный на пористый носитель. В настоящей работе предлагается исследовать характерные особенности фотокаталитического восстановления и фиксации углекислого газа на различных типах катализаторов на основе оксида титана в гетерогенных газотвердых условиях. Актуальность планируемых в рамках настоящего проекта исследований обусловлена возросшим интересом к решению экологической проблемы, связанной с повышением концентрации парникового газа (CO2). Поэтому необходимо разработать новые технологии, благодаря которым будет возможно снизить концентрацию CO2 в атмосфере и реализовать процесс экологически чистой конверсии CO2 в короткоцепочечные углеродсодержащие соединения. Одним из наиболее перспективных способов утилизации СО2 является его фотокаталитическое восстановление с использованием солнечной энергии и гетерогенных фотокатализаторов. Данный процесс, известный как искусственный фотосинтез, может превосходно имитировать естественный фотосинтез, приводя к производству топлива и ценных химических веществ (таких как CO, муравьиная кислота, метан и метанол). Искусственный фотосинтез считается одним из лучших подходов для решения, как глобального изменения климата, так и получение ценных химических веществ без производства дополнительного CO2 из-за наличия свободного доступа солнечного света в качестве возобновляемого источника энергии для данного процесса. Результатом выполнения проекта должен стать комплексный анализ условий синтеза, определяющих характеристики и фотокаталитическую активность титансодержащих гибридных катализаторов и создание на основе полученных данных новых мезпористых фотокатализаторов восстановления углекислого газа. Научная значимость поставленной задачи обусловлена необходимостью разработки новых подходов к созданию фотокатализаторов для процесса фотовосстановления CO2 с высокими функциональными характеристиками. Достижимость успешного решения поставленной задачи и получения запланированных результатов обусловлена следующими факторами. Авторы предлагаемого проекта имеют опыт в области синтеза нанокристаллических оксидных материалов с использованием подходов «мягкой химии», цеолитов с различной структурой в том числе губчатой, а также значительный опыт анализа данных материалов с использованием современных методов. Участники коллектива владеют актуальной информацией о современном состоянии исследований и о перспективных тенденциях развития области фотокаталитической утилизации углекислого газа и превращения его в ценные продукты. Достижимость поставленных в проекте задач определяется также наличием у коллектива авторов проекта всего необходимого оборудования, включая установку для фотокаталитического восстановления СО2, а также отработанными методиками синтеза и исследования физико-химических характеристик гибридных материалов на основе SiO2/TiO2. У авторов проекта имеется экспериментальный задел, свидетельствующий о возможности получения фотокатализаторов с высокими каталитическими характеристиками на основе ранее не использовавшихся в этом качестве гибридных материалов на основе слоистых оксидов кремния и модифицированного диоксида титана.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Садовников А.А., Новоселова К.Н., Судьин В.В., Наранов Е.Р. ВЛИЯНИЕ АНИОНА АММИАЧНОГО КОМПЛЕКСА СЕРЕБРА НА АКТИВНОСТЬ СФОРМИРОВАННЫХ IN SITU Ag/TiO2 КАТАЛИЗАТОРОВ» Нефтехимия, Нефтехимия, 2024, №5 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект посвящен актуальной фундаментальной научной проблеме ‒ расширению существующих представлений в области переработки углекислого газа в химические продукты с использованием фотокатализа: разработку подходов к синтезу высокоэффективных фотокаталитических систем на основе диоксида титана, обеспечивающих получение метанола, формальдегида, муравьиной кислоты и других ценных химических продуктов. В ходе реализации проекта в 2024 г. (второй год выполнения проекта) получен ряд новых научных результатов, расширяющих существующие представления о методах синтеза фотокатализаторов их физико-химических и функциональных свойств. В соответствии с запланированными задачами, в рамках проекта были получены ряд гибридных фотокатализаторов. Разработан новый метод получения модифицированных рутением SiO2-TiO2 гибридных материалов с применением рутенийсилоксанового олигомера. Показано, что при использовании рутенийсилоксанового олигомера не образуются агрегаты или крупные частицы рутения/оксида рутения. Показано, что образование -Si-O- сетки стабилизирует как частицы металла, так и возможное увеличение размеров кристаллитов диоксида титана. Площадь удельной поверхности выросла с 225 м2/г до 321 м2/г. Установлено, что восстановление окисленной формы рутения на поверхности образцов Ru-Sil/TiO2 и Ru-Cl/TiO2 происходит при разных условиях, что для образца, полученного с помщь олигомера, процесс восстановления рутения завершается до 150 °С в то время как для образца, полученного из хлорида рутения четко разделены две стадии восстановления, что может соответствовать восстановлению из оксидной фазы и оксохлоридной фазы, причем вторая стадия протекает до 230 °С. Для образцов, содержащих рутений, серебро, медь, платину, показаны продукты в фотовосстановления углекислого газа на лабораторной установке. Наибольший выход по метану показал образец 0.5%Ru-Sil/TiO2 - 4,5мкмоль/г, в то время как наибольшую селективность показал образец 1.0%Pt/TiO2 - 3,28 мкмоль/г. Было установлено, что конверсия для образца Ru-Sil/TiO2, полученного из рутенийсилоксана, в реакции гидрирования гваякола на порядок выше, чем для образца, полученного пропиткой хлоридом рутения, и сопоставима с конверсией для образцов сравнения на основе цеолитов с содержанием рутения ~1 масс. %. Стоит отметить также тот факт, что для всех катализаторов при данной температуре селективность по метоксициклогексанолу составила ~75- 80%. Методом XANES также было установлено, что композитный образец Ru/ TiO2-MCM-22, полученный из карбонила рутения изначально в своем составе имеет две формы рутения и в ходе процесса восстановления металлическая фаза начинает преобладать над окисленной.

Публикации

1. Садовников А., Новоселова К., Тарасенков А., Наранов Е. SYNTHESIS OF RUTHENIUM-DOPED PHOTOCATALYSTS FROM RUTHENIUM SILOXANE BOOK OF ABSTRACTS (год публикации - 2024)

2. Садовников А.А., Наранов Е.Р., Новоселова К. Н., Родригес Пинеда Р.А., Максимов А.Л. ПОЛУЧЕНИЕ И ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТНЫХ ФОТОКАТАЛИЗАТОРОВ TiO2-MCM-22 Нефтехимия (год публикации - 2025)

3. Садовников А.А., Наранов Е.Р., Судьин В.В., Тарасенков А.Н., Музафаров А.М., Максимов А.Л. ПОЛУЧЕНИЕ И ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДОПИРОВАННОГО РУТЕНИЕМ ДИОКСИДА ТИТАНА Нефтехимия (год публикации - 2025)

4. Садовников А.А., Наранов Е.Р., Родригес Пинеда Р.А., Тарасенков А.Н., Музафаров А.М., Максимов А.Л. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ГИДРИРОВАНИЕ ГВАЯКОЛА НА Ru/TiO2, ПОЛУЧЕННОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ РУТЕНИЙСИЛОКСАНОВОГО ОЛИГОМЕРА Нефтехимия (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Совокупность полученных результатов, в т.ч. разработка новых методов получения и модификации катализаторов с высокой дисперсностью нанесенных металлов, раскрывает потенциал этого подхода в качестве потенциальных материалов для перспективных приложений в области гетерогенного катализа. Так, на основе полученного с помощью рутенийсилоксанового олигомера катализатора Ru/TiO2 был показан вариант эффективного катализатора гидрирования компонентов бионефти и фоторазложения органических загрязнителей.