Разработка адсорбционно-каталитических систем для очистки воздуха от парниковых и кислых газов.

Цель работы – создание инновационных адсорбционно-каталитических систем для очистки воздуха от парниковых и кислых газов, глубокой переработки углеродсодержащего сырья в ценные химические продукты, а также для природоохранных процессов. Работа в рамках научной темы была направлена на решение актуальных и острых проблем, стоящих перед человечеством, а именно на разработку систем для поглощения и хранения СО2, наноразмерных катализаторов для утилизации и конверсии СО2 в ценные продукты, адсорбентов-катализаторов для очистки дымовых выбросов промышленных предприятий от кислых газов (диоксид серы и азота), а также разработки систем мониторинга состояния атмосферного воздуха с применением современных методов анализа. Получены катализаторы для различных каталитических процессов: при очистке газовых смесей от 1,3-бутадиена, при низкотемпературном окислении CO, при десульфуризации углеродных потоков. Разработан способ получения катализаторов на основе цеолитов, модифицированных поликатионами переходных металлов. Предварительные эксперименты опытных образцов катализаторов, полученных по данному способу, показали, что они позволяют эффективно очищать газовые смеси (состав приближен к реальным отходящим газам промышленных предприятий) от примесей диоксида серы до очень малых (предельных) концентраций (до 1-2 ppm). Данная разработка была удостоена премии «Новатор Москвы» в номинации «Меняющие реальность» по направлению «Экология и охрана окружающей среды» 5 октября 2022 года в г. Москва. Разработаны катализаторы на основе металлов триады железа для углекислотной конверсии лигнина в СО, с одновременной утилизацией гидролизного лигнина, являющегося невостребованным отходом целюллозно-бумажных производств и диоксида углерода, являющегося парниковым газом. Данные катализаторы заметно снижают температуру реакции более чем на 100°С. Проведена характеризация исходных и «отработанных» катализаторов набором физико-химических методов. Была проведена оптимизация формулы катализаторов по результатам лабораторных каталитических исследований и физико-химических исследований. Наиболее важным результатом можно считать следующий: Отработана методика лабораторных испытаний катализаторов в широком диапазоне температур и давлений с анализом всех возможных продуктов и получением зависимостей селективностей по продуктам от давления. Было проведено сравнительное исследование нанесенных и соосажденных систем, влияние добавления калия и других промотеров к катализаторам. Исследовано влияние давления, навески, состава катализатора на производительность и селективность по метанолу и углеводородам. Были получены эффективные каталитические системы синтеза метанола, обладающие высокой производительность и селективностью. Выполнены экспериментальные исследования и получены результаты, свидетельствующие о повышении активности катализаторов при использовании СК условий (повышенного давления). Определены рациональные параметры проведения процессов, обеспечивающие повышение эффективности катализаторов. Для гидрирования СО2 определены перспективные катализаторы и разрабатываемые технологические решения охраноспособны. Проведен анализ научно-технической литературы, посвященной вовлечению углекислого газа в электроорганический синтез. Вовлечение CO2 в органический электросинтез открывает новые возможности в синтетической химии. Перспективным направлением является электрокарбоксилирование, с помощью которого возможно вводить в молекулы карбоксильную группу. Метод позволяет получать карбоновые кислоты и функциональные соединения в одну стадию, не затрагивая уже имеющиеся в молекуле функциональные группы, такие как -OR, -NH2, -CN, -NO2, -OAc. Выявлены перспективные области исследований в этом направлении. Был открыт химический процесс, объединяющий химию CO2 с новыми нуклеофильными и электрофильными центрами, полученными в результате воздействия электрического тока на различные органические соединения. Электроинициированное образование реакционноспособных интермедиатов позволило получить предварительные результаты по карбоксилированию с помощью CO2. В рамках выполнения первого этапа работы было установлено влияние среды электролиза (ацетонитрил, диметилсульфоксид, тетрагидрофуран, диметилформамид) на эффективность процесса карбоксилирования ненасыщенных производных карбонильных соединений. Был осуществлен поиск наиболее производительной пары электродов для данного процесса. Были исследованы следующие материалы – графит, стеклоуглерод, магний, цинк, нержавеющая сталь – в качестве анода, а также – графит, стеклоуглерод, никель, нержавеющая сталь, магний, цинк – в качестве материала катода. Среди инертных электролитов (nBu4NI, nBu4NBr, nBu4NBF4, nBu4NClO4, nBu4NPF6, LiClO4, [PyH]ClO4, nBu4NClO4) наилучший выход функционализированной карбоновой кислоты обеспечивал перхлорат тетрабутиламмония. Была выявлена ключевая роль основания в электрохимическом процессе карбоксилирования ненасыщенных производных карбонильных соединений. Были исследованы как органические основания - триэтаноламин, моноэтаноламин, DABCO, триэтиламин, имидазол, пиридин, так и основания неорганической природы – карбонат калия, гидроксид натрия, вода.