РУС ENG
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Российская Академия Наук

Лаборатория разработки и исследования полифункциональных катализаторов (№14)

д.х.н. Кустов Леонид Модестович
Заведующий: д.х.н. Кустов Леонид Модестович
ORCID: 0000-0003-2312-3583 Researcher ID: L-4071-2014 h-index = 42
Основные направления исследований
  • Каталитические процессы гидрирования, дегидрирования, гидрогенолиза и раскрытия циклов;
  • Конверсия СО2 и компонентов возобновляемого сырья (глицерин, полиолы, лигнин) в ценные продукты;
  • Катализаторы и процессы парциального и полного окисления;
  • Конверсия природного газа в ценные продукты (ароматические углеводороды, синтез-газ);
  • Каталитические процессы на кислотных катализаторах (гидроизомеризация, нитрование);
  • Хранение водорода и СО2, адсорбенты газов, мембранное разделение газов и паров, очистка газовых и жидких смесей от соединений серы и азота;
  • Металл-органические каркасы и мезопористые материалы: синтез и физико-химическое исследование структуры;
  • СВЧ-активация катализаторов и каталитических процессов;
  • Гетерогенно-каталитические процессы в сверхкритических флюидах (СО2, углеводороды);
  • Ионные жидкости, в том числе кремний-содержащие ионные жидкости: синтез и применение.
     
Лучшие результаты

  Катализаторы с ультранизким содержанием Pt показали чрезвычайно высокую активность в селективном гидрировании биодоступного 5-гидроксиметилфурфурола (5-HMF) в соответствующий диол, т. е. 2,5-бис(гидроксиметил)фуран; среди синтезированных катализаторов с содержанием Pt, варьирующимся в диапазоне 0,025–0,25 мас.%, наиболее активным оказался образец 0,1%Pt/CeO2–ZrO2, позволяющий получать целевой продукт с выходом 97% и 100% селективностью без использования щелочи или любых других добавок при температуре 170 °C и давлении H2 1 МПа, при соотношении 5-HMF:Pt выше, чем 1000 моль моль–1. Мезопористые материалы с удельной площадью поверхности в диапазоне от 160 до 240 м2/г получены в одну стадию путем простого осаждения с мочевиной. Использование СВЧ-активации позволило сократить время синтеза с 24 до 3,5 ч.  Pt-содержащие катализаторы на основе синтезированных оксидов показали высокую каталитическую активность в селективном гидрировании бензальдегида, цитраля и циннамальдегида при комнатной температуре и атмосферном давлении.

 

  Гетерогенные нанокатализаторы, содержащие наночастицы металлов (Me = Ir, Rh и Ru), нанесенные на мезопористый сапонит (алюмосиликат магния), были испытаны в реакции раскрытия циклов при высоких давлениях с использованием декалина в качестве субстрата. Частицы металла имеют чрезвычайно малый размер (~1-2 нм) и высокую дисперсность. На активность, селективность и состав продуктов в основном влияет природа металла. Катализатор Ir/сапонит обеспечивает селективность около 90% по продуктам раскрытия циклов при общей конверсии декалина около 80%. На катализаторе Rh/сапонит образуется до 30% бициклических продуктов скелетной изомеризации декалина вместе с продуктами раскрытия циклов. Образование большого количества продуктов гидрокрекинга С1−С9 наблюдается на катализаторе Ru/сапонит помимо продуктов раскрытия циклов. Установлено влияние на активность и селективность катализаторов основных параметров реакции (T, P, WHSV, соотношение H2/C10 и парциальное давление декалина).

 

  Проблема хранения водорода в жидких органических носителях водорода заключается не только в выборе подходящего органического субстрата, но и в разработке селективного и активного катализатора, содержащего как можно меньшую концентрацию благородных металлов. Изучены обратимые реакции гидрирования-дегидрирования полициклических ароматических углеводородов с различной степенью конденсации (нафталин, антрацен, бифенил, орто-, мета- и пара-изомеры терфенила). Впервые обнаружен синергетический эффект повышения конверсии и селективности при дегидрировании бициклогексила в бифенил на триметаллических катализаторах Pt-Ni-Cr/C с чрезвычайно низким содержанием Pt (0,1 мас.%) по сравнению с биметаллическими Ni-Cr/C и Pt/Ni/C катализаторами. Значения TOF (ммоль (Н2)/гPt мин) для выделения водорода в условиях реакции дегидрирования бициклогексила (320 ° С, 0,1 МПа) на Pt, нанесенной на композит Ni-Cr/С, на два порядка превышают значения, найденные для двухкомпонентных катализаторов. Максимальное количество выделившегося водорода коррелирует с селективностью полного дегидрирования бициклогексила в бифенил на катализаторе Pt-Ni-Cr/C. Образование твердого раствора замещения Ni-Cr в Ni-Cr/C композите установлено методами магнитометрии, рентгенографии и ТЭМ.

 

  Выявлено образование оксидных нанороллов, украшенных нанотрубками, при анодном окислении аморфного сплава Fe70Cr15B15 в гидрофобной ионной жидкости 1-бутил-3-метилимидазолий тетрафторборате. Необычная архитектура впервые наблюдалась на поверхности аморфного сплава. Генерация нового типа наноструктуры путем электрохимического окисления аморфного сплавс Fe70Cr15B15 наблюдается только в гидрофобной ионной жидкости и в присутствии естественной оксидной пленки на поверхности.

 

  Цеолитовые имидазолятные каркасы типа ZIF-8 и композиты на основе ZIF-8 и нановолокон оксида алюминия (NafenTM) оказались эффективны как гетерогенные катализаторы для реакции метанола с оксидом пропилена с получением метилового эфира пропиленгликоля (PGME). Как скорость реакции, так и селективность по отношению к PGME уменьшаются с увеличением размера кристаллов материала ZIF-8, что связано с изменением количества основных центров и их доступности.

 

  Исследовано токсическое действие наночастиц серебра (сферических и плоских наночастиц Ag) на эмбрионы рыб Данио рерио (Danio rerio). Особый интерес был уделен характеристике наночастиц Ag на начальном этапе и в ходе эксперимента. Проанализировано поведение плоских наночастиц серебра по отношению к эмбрионам рыб и проведено сравнение с экотоксичностью ионной формы серебра (AgNO3). Оба типа наночастиц показали более выраженное токсическое действие на эмбрионы Данио рерио, чем ионы серебра (AgNO3), в то время как нанопластинки серебра были более токсичными, чем наносферы Ag.

 

  Новый наногибрид 10%Co/MIL-53(Al) на основе микропористого металлорганического каркаса MIL-53(Al), полученный методом синтеза с помощью СВЧ, проявляет свойства бифункционального катализатора с активностью в гидрировании CO2 до CO и последовательном синтезе жидких углеводородов из образующегося монооксида углерода. Предполагается, что наблюдаемое увеличение конверсии CO2 по сравнению с термодинамически возможной конверсией связано с ожидаемым сдвигом равновесия в сторону образования CO в результате его дальнейшего быстрого превращения в углеводороды по реакции Фишера-Тропша.

 

  Адсорбенты, способные к прочной адсорбции углеводородов и удержанию их до 250-300 оС были получены путем модификации цеолита ZSM-5 (SiO2/Al2O3 = 35) катионами Li, K или Na. Показано, что введение Li, Na и K приводит к усилению адсорбции толуола при высоких температурах. Наилучший результат был получен для 2,3% Na-ZSM-5. Установлено, что увеличение содержания Li в ZSM-5 до 5 мас.% приводит к смещению высокотемпературного пика в высокотемпературный диапазон. Цеолиты 5%LiZSM-5 и 2,3%Na-ZSM-5, характеризующиеся температурами десорбции толуола около 200-400 оС, очень перспективны для контроля выбросов углеводородов при холодном запуске двигателя автомобиля.

 

  Реактивная адсорбция загрязненных серой соединений на поликатионно-обменных цеолитах, содержащих ионы переходных металлов является очень эффективным методом десульфуризации потоков переработки углеводородов. Процесс состоит из физической адсорбции тиолов, сульфидов и дисульфидов и каталитического окисления адсорбированных веществ. Реакция не требует участия свободного кислорода; исследования методами инфракрасной Фурье-спектроскопии диффузного отражения и рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS) подтвердили, что окисление тиола протекает при непосредственном участии супероксидов поликатионных форм. Все изученные цеолитные материалы X, цеолит Y и морденит, содержащие поликатионы Zn, Mn, Cu и Cd, проявляют значительную активность в окислении соединений серы; это приводит к увеличению общего поглощения из газовых и жидких углеводородов. Термическая регенерация адсорбентов–катализаторов в окислительных условиях приводит к полному восстановлению их первоначальной активности и способности к удалению соединений серы.

 

  Открыты новые возможности применения каталитических систем на базе наночастиц железа и меди в реакциях селективного гидрирования непредельных и нитро соединений, а также эфиров и альдегидов с целью получения продуктов с добавленной стоимостью. Высокая эффективность биметаллических катализаторов связана с сильным контактным взаимодействием между частицами в системах Fe-Cu, Fe-Pt, Cu-Pt, обусловленным перераспределением электронной плотности за счет переноса заряда с одного металла на другой. Катализаторы не требуют жестких условий проведения процесса и активны при температурах 110–170 °С и давлении Н2 до 1.5 Мпа, а также являются хорошей альтернативой традиционным катализаторам данных процессов на основе Pt, Pd, Rh и др.

 

Избранные публикации последних лет
Новости института
Учеными ИОХ РАН получен новый строительный блок для синтеза компонентов органических солнечных ячеек и светодиодов Учеными ИОХ РАН получен новый строительный блок для синтеза компонентов органических солнечных ячеек и светодиодов
Органическая фотовольтаика — это развивающаяся область технологии, позволяющая использовать для получения энергии небольшие количества недорогих нетоксичных…
В ИОХ РАН состоялась защита кандидатской диссертации В ИОХ РАН состоялась защита кандидатской диссертации
22 ноября 2022 г. в ИОХ РАН состоялась успешная кандидатская защита. Никита Михайлович Барабошкин представил диссертацию на соискание ученой степени…
Молодые учёные ИОХ РАН: Кривощапов Николай Молодые учёные ИОХ РАН: Кривощапов Николай
Аспирант, инженер-исследователь     Область исследований: квантовая химия, стереоэлектронные эффекты,теория функционала плотности, конформационный…
Исследователями ИОХ РАН предложен новый билдинг-блок для супрамолекулярной химии Исследователями ИОХ РАН предложен новый билдинг-блок для супрамолекулярной химии
Пиперазин и его производные находят широкое применение в медицинской и координационной химии, материаловедении, а также как реагенты для улавливания диоксида…
Сотрудниками ИОХ РАН изучена электрохимическая циклизация под действием соединений гипервалентного иода Сотрудниками ИОХ РАН изучена электрохимическая циклизация под действием соединений гипервалентного иода
Электрический ток является мощным инструментом для проведения различных процессов окислительного сочетания, включая создание связей C-N и синтез N-гетероциклических…
Молодые учёные ИОХ РАН: Кокорекин Владимир Молодые учёные ИОХ РАН: Кокорекин Владимир
к.фарм.н., с.н.с.; Лаборатория химии карбенов и других нестабильных молекул №1; Область исследований: органический электросинтез, реакционная способность…

Лаборатория разработки и исследования полифункциональных катализаторов (№14) ORCID: 0000-0003-2312-3583 Researcher ID: L-4071-2014 h-index = 42 ST LUCE https://zioc.ru/ 5 100 .00 RUB http://schema.org/InStock