Название проекта

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

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