Паспорт проекта

Название проекта

Структурированные наноразмерные катализаторы и адсорбенты для комплексной переработки природного, попутного и биогаза литические системы»


Лаборатория "Нанохимии и экологии"

Руководители проекта

Проф. Д.х.н. Кустов Леонид Модестович

Цели проекта

Разработка нового поколения гибких и высокопроизводительных каталитических реакторных систем на основе структурированных катализаторов (адсорбентов) для комплексной переработки природного и попутных газов, а также биогаза с использованием различных процессов

(1)            Очистка природного газа, получаемого из него водорода и синтез-газа, с целью удаления воды, соединений серы, СО2;

(2)            Парциальное и полное окисление метана, этана;

(3)            Паровая и углекислотная конверсия метана;

(4)            Окислительное сочетание метана в этан и этилен;

(5)            Окислительное дегидрирование этана в этилен;

Окисление пропана, присутствующего в природном газе, в акриловую кислоту.

Задачи проекта

(1) Фундаментальное изучение и обоснование разработки методов получения структурированных носителей с пористым покрытием, в том числе модифицированных наночастицами различных форм и размеров, включая новые препаративные методы получения моно- и биметаллических наночастиц (Ni, Cu, Fe, Ag, Au), нанесенных на различные структурированные носители. Целями исследований будет достижение экспериментальных результатов по следующим направлениям: (i) самоорганизация в растворе (ii) использование СВЧ активации каталитических реакций и при восстановления металлов (iii) использование ионных жидкостей в качестве среды для стабилизации наночастиц нужного размера и формы. Они будут использоваться для разработки наиболее подходящей стратегии синтеза.

(2) Специфическое инкапсулирование наноинженерных металлических наночастиц в специально разработанные структурированные материалы, модифицированные нанослоями ионной жидкости, мезопористыми материалами и металл-органическими каркасными структурами с точным контролем размера пор и методов инкапсулирования, предотвращающих потерю активной фазы из-за спекания или выщелачивания.

(3)            Углубленная характеризация получаемых структурированных наноматериалов с использованием методов электронной микроскопии (HRSEM, HRTEM, EDS-SEM), спектроскопических методов (XPS, DRIFTS, XAFS, УФ, спектроскопия плазмонного резонанса) и с использованием молекул-зондов (H2, CO, NO), а также обычных исследований адсорбции и методов ТПВ/ТПД, РФА, ДТА/ТГ.

(4) Разработка высокоэффективных, селективных, и регенерируемых структурированных нанокатализаторов и структурированных реакторов для процессов конверсии компонентов природного, попутного и биогаза (риформинг, окисление) и для проверки их эффективности в процессах, применяемых в современном катализе и процессах, имеющих большое значение для промышленности. Разрабатываемые области применения наноматериалов  направлены на улучшение экологической безопасности и экономической эффективности технологий.

5) Создание и оценка новых, надежных и экономически эффективных прототипов промышленно важных катализаторов процессов окисления, содержащих нулевые или крайне малые количества критических и благородных металлов. и масштабы производства, использующего дешевые катализаторы, не требующие последующего извлечения драгметаллов,  будут составлять всего несколько процентов от общего производства компании, социо-экономические эффекты этой инициативы скомпенсируют негативный имидж химического производства.

Уникальность проекта

Инновационность проекта заключается в получении фундаментальных знаний в области разработки новых классов наноинженерных структурированных катализаторов, основанных на неблагородных металлах, или с использованием наиболее дешевых благородных, используемых в промышленно-важных каталитических процессах путем совмещения теоретических подходов с химико-технологическими данными. Долгосрочные инновации должны привести к созданию новых,  устойчивых химических процессов производства продуктов основного, тонкого, и специального органического синтеза с высокими селективностями при помощи наноразмерных нанесенных металлических катализаторов на базе структурированных носителей (фольги, пены, волокна, сетки).

Оригинальность предлагаемой работы заключается в комбинировании структурированных носителей с наноинженерными частицами неблагородных, или наиболее дешевых благородных металлов, в использовании ионных жидкостей, металл-органических каркасных структур, мезопористых силикатных материалов, и микроволновой активации при разработке структурированных наноинженерных катализаторов для различных каталитических процессов, большинство из которых являются недостаточно исследованными с точки зрения применения дешевых наноструктурированных  катализаторов. Катализаторы будут, по возможности, охарактеризованы in-situ при получении, во время и после реакции при помощи соответствующих методов исследования поверхности.

Актуальность проекта

Переработка природного газа, попутных нефтяных газов, биогаза и сланцевых газов в ценные продукты – чрезвычайно актуальная задача, которая может быть решена только с использованием новых поколений катализаторов и адсорбентов. Сокращение использования дорогостоящих металлов, таких как благородные металлы, золото, редкоземельные металлы является передовой проблемой во всем мире. Даже частичное решение этой проблемы позволит ослабить зависимость промышленно развитых стран от внешних источников этого сырья, таких как Китай, ЮАР, и Южная Америка. Большинство из этих металлов используется в различных видах катализаторов (очистки выхлопных газов, переработки нефтепродуктов, в тонкой химической технологии, фармацевтической промышленности, топливных элементах, и т.д.). Значительное сокращение, или даже  полное устранение использования благородных металлов в катализаторах, особенно вместе с использованием доступных и недорогих переходных металлов,  и вместе с использованием структурированных носителей и микроструктурированных реакторов, работающих в непрерывном режиме, открывает новые перспективы и увеличивает конкурентные преимущества Российской экономики. Технологии переработки нефти и газа являются достаточно сформировавшейся и консервативной областью, относительно подобных замен, однако демонстрирование многочисленных преимуществ структурированных наноинженерных систем, возможно, развернет эту отрасль в сторону инноваций. Производства основного и тонкого органического синтеза, и фармацевтической продукции являются достаточно восприимчивыми в отношении инноваций, что позволяет внедрять и масштабировать новые каталитические системы в сжатые сроки.

Особенно важными являются катализаторы, не содержащие благородных металлов, которые могут быть использованы в переработке дешевого сырья или отходов в продукцию с высокой добавленной стоимостью, что является востребованным в таких отраслях как основной органический синтез и нефтехимия, и в особенности, тонкая химическая технология и производство лекарственных средств. Среди подобного рода сырья, которое может быть легко конвертировано в ценные продукты, мы особенно можем отметить ацетилены и диены, которые являются побочными продуктами промышленного синтеза  мономеров, а также обычное дешевое сырье, такое как природный газ, биогаз, биомасса, растительные масла, и другое сырье из возобновляемых источников. Известные примеры применения гидрирования и парциального окисления основываются, главным образом, на использовании Pd, Pt, Rh в качестве катализаторов. Если же эти металлы будут заменены на Fe, Ni, Co, Cu, Ag и другие не благородные металлы без существенной потери активности и селективности катализаторов, это будет серьезным прорывом в технологии. Кроме того, можно ожидать значительного снижения стоимости и энергозатрат, связанных с производством и регенерацией благородных металлов.

Число публикаций в открытых источниках, посвященных приготовлению и применению катализаторов на основе ионных жидкостей и металл-органических каркасных структур (MOF), нанесенных на структурированные носители, весьма ограничено. Ионные жидкости, т.е. соли, обладающие низкой температурой плавления,  включающие органический катион (имидазолий, пиридиний, тетраалкиламмоний и т.п.) и неорганический анион, и проявляющие перспективные свойства при использовании в качестве нелетучих растворителей, электролитов и катализаторов, могут, в данном случае, быть применены как для стабилизации наночастиц, так и для разделения реакционной смеси. Металл-органические каркасные структуры, которые являются цеолитоподобными органо-неорганическими гибридными материалами, с удельной поверхностью достигающей 5000 м2/г и объемом пор порядка 1.5 см3/г, также находятся в центре внимания в современных исследованиях, однако основным направлением в этой области является синтез новых структур и их использование в процессах разделения, значительно меньше внимания уделяется их применению в катализе. Следует отметить, что MOF могут служить в качестве носителя наночастиц металлов, тем самым увеличивая их стабильность, и, предположительно, увеличивая активность и производительность катализаторов на основе неблагородных металлов.

Значительное количество ценных крупнотоннажных и малотоннажных продуктов синтеза, может быть получено с использованием реакций парциального окисления. Эвристическая и инновационная разработка наноинженерных катализаторов на основе неблагородных металлов может быть полезна промышленным компаниям, производящим как крупнотоннажную, так и малотоннажную и фармацевтическую химическую продукцию в целях расширения ассортимента производимой продукции, разработки современных и экологически безопасных технологий для получения продукции с высокой добавленной стоимостью, соответствия рыночному спросу, включая такую продукцию как витамины, лекарственные средства, пластификаторы, пенообразователи и т.д. Даже если масштабы производства, использующего дешевые катализаторы, не требующие последующего извлечения драгметаллов,  будут составлять всего несколько процентов от общего производства компании, социо-экономические эффекты этой инициативы скомпенсируют негативный имидж химического производства.

Оборудование

В настоящее время проведены закупки офисной техники, мебели и основного лабораторного оборудования, включая СВЧ-резонатор для проведения процессов в СВЧ-активированном режиме и реактор под давлением для осуществления реакции в сверхкритических условиях.

Патенты

За время проекта были поданы 3 заявки на патенты РФ:

1. Нанокатализатор и способ осуществления реакции Фишера-Тропша с его использованием, авторы Тарасов А.Л., Кустов Л.М.

2. Катализатор и способ получения синтез-газа из метана с его использованием, авторы Тарасов А.Л., Кустов Л.М., Лищинер И.И., Малова О.В., Еремеева О. С.

3. Способ приготовления катализатора для получения синтез газа из метана, катализатор, приготовленный по этому способу, и способ получения синтез газа из метана с его использованием, авторы Тарасов А.Л., Кустов Л.М., Лищинер И.И., Малова О.В., Еремеева О. С., Киви Л.Л. им. Н.Д. Зелинского РАН

Мероприятия научного коллектива

14 мая 2018 года проведена школа-семинар для молодых ученых, аспирантов и студентов по теме «Наноструктурированные гибридные каталитические системы»

Партнёрство и сотрудничество

Коллектив Лаборатории Нанохимии и экологии сотрудничает со следующими организациями:

1.     Высшая политехническая школа Лозанны, Швейцария

2.     Римский центр исследования наноматериалов (RICMASS), Италия

3.     Институт катализа и охраны окружающей среды, Лион, Франция

4.     Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова

5.     Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН

С использованием разработанных методов обработки, модифицирования и нанесения активных компонентов на металлические сетки или на фольгу или сплавленные волокна из фехраля была приготовлена серия катализаторов для последующего исследования в ряде каталитических процессов, включая разработку нового поколения гибких и высокопроизводительных каталитических реакторных систем на основе структурированных катализаторов (адсорбентов) для комплексной переработки природного и попутных газов, а также биогаза с использованием различных процессов, таких как:

(1)                Очистка природного газа, получаемого из него водорода и синтез-газа, с целью удаления воды, соединений серы, СО2;

(2)                Парциальное и полное окисление метана, этана;

(3)                Паровая и углекислотная конверсия метана;

(4)                Окислительное сочетание метана в этан и этилен;

(5)                Окислительное дегидрирование этана в этилен;

(6)                Окисление пропана, присутствующего в природном газе, в акриловую кислоту.

(7)                Другие процессы органического синтеза (метатезис олефинов, гидрирование диенов и ацетиленов, парциальное окисление глицерина и др.).

Были отправлены в печать 32 статьи в высокорейтинговые международные журналы, входящие в первый квартиль по специализации проекта, и получено подтверждение о том, что две статьи опубликована и две приняты в печать. Кроме того, были подготовлены и поданы 3 заявки на патенты РФ.

Основные результаты:

1. Разработаны структурированные носители для катализаторов различных процессов.

2. Разработаны методы модифицирования поверхности структурированных носителей (нанесение вторичного пористого покрытия, создание наноструктур, электрохимические обработки и т.д.).

3. Разработаны методы нанесения активных фаз (наночастицы металлов, оксидов, МОF).

4. Приготовлена серия структурированных носителей

2015 Vera I, Isaeva , Leonid M, Kustov Catalytic hydroamination of unsaturated hydrocarbons  Topics in Catalysis
2015 Zhen Ma Atash V, Gurbanov Abel M, Maharramov
Firudin I, Guseinov Maximilian N, Kopylovich Fedor I,
Zubkov Kamran T, Mahmudov Armando J,L, Pombeiro
Copper(II) arylhydrazone complexes as catalysts for C H activation in the Henry reaction in water Journal of Molecular Catalysis A: Chemical
2015 L,M, Kustov, A,L, Tarasov Fischer-Tropsch synthesis in a slurry mode using ionic liquids Сatalysis Communications
2015 Leonid M, Kustov, Daniil B, Furman,
Aleksandra P, Barkova
Metathesis of С5-С8 terminal olefins on Re2O7/Al2O3 catalysts Catalysis Letters
2015 L,M, Kustov, A,L, Tarasov Autothermal methane oxidative coupling process over La2O3/MgO catalysts Chemical Engineering & Technology
2016 Andrey L, Tarasov, Olga P, Tkachenko,
Leonid M, Kustov
Mono and bimetallic Pt-(M)/
Al2O3 catalysts for dehydrogenation of perhydro-N-ethylcarbazole
Topics in Catalysis
2016 Atash V, Gurbanov, Kamran T, Mahmudov, Maximilian N, Kopylovich, Fátima M, Guedes da Silva, Manas Sutradhar, Firudin I, Guseinov, Fedor I, Zubkov, Abel M, Maharramov, Armando J, L, Pombeiro Molecular Switching through Cooperative Ionic Interactions and Charge Assisted Hydrogen Bonding Dyes and Pigments
2016 А,В, Смолин, Л,М, Кустов СОВРЕМЕННЫЕ  ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ ВОССТАНОВЛЕНИИ  СО2 В РАЗЛИЧНЫХ  СРЕДАХ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОДАХ Успехи химии
2016 О,К, Лебедева, Д,Ю, Культин, Л,М, Кустов Электрохимия и ионные жидкости: получение и применение  Успехи химии
2016 Leonid Kustov Dehydrogenation of Polycyclic Naphthenes on a Pt/C Catalyst for Hydrogen
Storage in Liquid Organic Hydrogen 
Fuel Processing Technology
2016 Leonid Kustov Influence of oleic acid on the properties of magnetite nanoparticles prepared by one step microwave  Nanomaterials
2016 Kustov L.M The effect of a stabilizer of silver nanoparticles on their toxicity with respect to Danio rerio embryos Environmental Science: Nano
2016 Vera Isaeva, Leonid Kustov Effect of the support morphology on the performance of Co
nanoparticles deposited on metal-organic framework MIL-53(Al) in Fischer-
Microporous and Mesoporous Materials
2016 Abramenko N,B,, Demidova T,B,, Zherebin P,M,, Krutyakov Yu,A,, Krysanov E,Yu,, Kustov L,M, Ecotoxicity of silver nanoparticles: Effect of Stabilizing Agents in Tests with Respect to Danio Rerio ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY
2016 E, Finashina, E, Redina, A, Startseva, O, Tkachenko, L, Kustov, D, Esquivel and P, Van Der Voort Gold on mesoporous organosilicas in intramolecular hydroamination of 2-(phenylethinyl)aniline to 2-phenylindol APPLIED CATALYSIS A-GENERAL
2016 Alexander A, Greish, Alexander L, Kustov, Lev M, Glukhov, Leonid M, Kustov Oxidative Dehydrogenation of Dimethyl Ether to Dimethoxyethane over Oxide Catalysts Organic Processes Research and Development
2016 A,A, Greish, E,D, Finashina, O,P, Tkachenko, E,V, Shouvalova, L,M, Kustov Synthesis of Dimethylcarbonate from Methanol and CO2 on a modified SnO2/Al2O3 catalyst CHEMICAL ENGINEERING SCIENCE
2016 O,P, Tkachenko, A,V, Kucherov, L,M, Kustov, V, Virkkunen, T, Leinonen, P, Denifl Study of Ziegler-Natta Olefin Polymerization Catalysts by Spectroscopic Methods Materials
2016 Leonid М, Кustov, Аlexander N, Кalenchuk, Victor I, Bogdan Catalytic Dehydrogenation of Perhydroterphenyl Isomers in Hydrogen Storage Systems Fuel
2016 Leonid М, Кustov, Аlexander N, Кalenchuk, Victor I, Bogdan Interaction of copper with dinitrogen tetroxide in
1-butyl-3-methylimidazolium
Dalton Transactions
2017 Leonid M. Kustov, Andrei L. Tarasov Microwave-Assisted Lignin Conversion into Synthesis Gas and Aromatic Compounds  JOURNAL OF CHEMICAL TECHNOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
2017 Leonid M. Kustov, Natalia B. Abramenko Silicon Nanoparticles: Preparation, Characterization and Toxicity  Environmental Research Letters
2017 Leonid М. Кustov Syntheses of novel nanoporous metal-organic gels with tunable porosity and  Journal of Physical Chemistry C
2017 Leonid Kustov Alkaline-Modified ZSM-5 Zeolite to Control Hydrocarbon Cold-Start Emission Microporous and Mesoporous Materials
2017 Natalia B. Abramenko, Leonid M. Kustov Ecotoxicity of different-shaped Silver Nanoparticles: Case of Zebrafish Embryos Journal of Hazardous Materials
2017 Suresh Palanivel, Jerome G, Chandraseelan, Olli Yli-Harja, Meenakshisundaram Kandhavelu, Firudin I, Guseinov Toxicity assessment of arylhydrazones
of active methylene compounds
J, Hazardous Materials
2017 A, Kustov The partial oxidation of benzene to phenol in supercritical conditions The Journal of Supercritical Fluids
2017 A, Kustov Regeneration of zeolite catalysts of the partial oxidation in the supercritical fluid The Journal of Supercritical Fluids
2017 Zhen Ma; Atash Gurbanov; Manas Sutradhar; Maximilian
Kopylovich; Kamran T, Mahmudov, Dr,; Abel Maharramov; Firudin Guseinov
Effective cyanosilylation of aldehydes with copper(II)-based
polymeric catalysts
MOLECULAR CATALYSIS
2017 A, Kalenchuk, L, Kustov Mono and bimetallic Pt-(M)/Al2O3 catalysts for dehydrogenation of perhydro-N-ethylcarbazole Topics in Catalysis
2017 Kustov L.M Ring opening of cyclic hydrocarbons on Pt-Ru catalysts ChemCatChem
2018 Кустов Л.М. Dehydrogenation of polycyclic naphthenes on a Pt/C catalyst for hydrogen
storage in liquid organic hydrogen carriers
Fuel Processing Technology
2018 Кустов Л.М. Synthesis of Novel Nanoporous Metal-Organic Gels with Tunable Porosity and Sensing of Aromatic Compounds Microporous & Mesoporous Materials
2018 Кустов Л.М. Effect of surface hydrophilization on Pt/Sibunit
catalytic activity in bicyclohexyl dehydrogenation
in hydrogen storage application
International journal of hydrogen energy
2018 Кустов Л.М. Decalin ring opening on Pt-Ru/SiO 2 catalysts Fuel Processing Technology
2018 Кустов Л.М., Исаева В.И Conversion of CO 2 into liquid hydrocarbons in the presence of a Co-
containing catalyst based on the microporous metal-organic framework MIL-53(Al)
Fuel Processing Technology
2018 Кустов Л.М. Catalytic synthesis of octadiene-1,7 from ethylene and cyclohexene Journal of Organometallic Chemistry

Коллектив включает 3 докторов наук, 4 кандидатов наук, 4 аспирантов, 1 инженера без степени и 4 студентов. Основные исполнители:

Кустов Л.М.

Гусейнов Ф.И.

Кучеров А.В.

Тарасов А.Л.

Редина Е.А.

Кустов А.Л.

Исаева В.И.

Куделин А.И.

Гарифулин М.Р.

Евдокименко Н.В.

Костюхин Е.В.

Аймалетдинов Т.Р.

Наши проекты

Последние комментарии



Яндекс.Метрика