Лаборатория разработки и исследования полифункциональных катализаторов (№14)

Заведующий: д.х.н. Кустов Леонид Модестович

ORCID: 0000-0003-2312-3583 Researcher ID: L-4071-2014 h-index = 42

E-mail:

Тел.: 8 (910) 414-07-02

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.