Разработка методов контролируемого синтеза функциональных, наноструктурированных и композиционных материалов для задач химического материаловедения и катализа

Выполнены работы по следующим направлениям: разработка катализаторов и процесса каталитического синтеза МУНТ в псевдоожиженном слое; разработка МУНТ-содержащих композитов на основе полимерных и керамических матриц; разработка новых материалов, в которых МУНТ используются в качестве носителей катализаторов, а также активных компонентов электрохимических устройств и соединений для обратимой адсорбций газов. Разработаны методы получения композитов на основе МУНТ, содержащих наночастицы кремния и карбида кремния, и исследованы их электрохимические свойства в качестве анодного материала в литий-ионных аккумуляторах; изучены возможности получения керамических композитов на их основе. На основе МУНТ, модифицированных карбонатом калия, разработан адсорбент для обратимой адсорбции СО2. Разработаны основы технологии синтеза микродисперсных сплавных никелевых катализаторов на основе одностадийного метода механохимического сплавления металлов. Изучено влияние параметров МХС на фазовый и гранулометрический состав Ni-Cu сплавов. Установлено промотирующее действие W и Mo на активность никеля в разложении хлорзамещённых углеводородов. Изучены перспективы использования полученных сплавов Ni-M в каталитическом пиролизе углеводородов С2-С4 и полихлорированных углеводородов (C2H4Cl2, C2HCl3) с получением УНМ. Обоснован выбор и проведена верификация математической модели, описывающей процесс каталитического пиролиза природных смесей углеводородов с получением водорода и УНМ. Предложены способы получения функционализированных (O-, N- и S-содержащих) углеродных нановолокон с применением методов синтеза «one pot» и пост-функционализации. Изучена активность углеродных сульфатированных материалов в качестве твердокислотного катализатора в модельных реакциях трансэтерификации цетилпальмитата и этерификации олеиновой кислоты этанолом. Разработаны катализаторы Ni-Ce-Mg-O для процесса углекислотной конверсии метана. В ряду изученных катализаторов образец, содержащий 10 % NiO и 10 % CeO2, продемонстрировал наибольшую активность. Установлено, что для системы Pd/Al2O3 со сверхнизкой загрузкой активного компонента (0.01-0.03 мас.%), синтезированной методом лазерного диспергирования, характерно стабильное поведение в ходе форсированного термического старения в токе реакционной смеси, содержащей CO, углеводороды, NO и кислород при 800–1000 °C. Разработаны методы синтеза нанокристалллического алюмината кальция с высокой удельной поверхностью, а также катализаторов на его основе. Показано, что палладиевые катализаторы на смешанных аэрогельных носителях MgO и Al2O3 обладают высокой активностью и селективностью в процессе дегидрирования тетрадекагидрофеназина (жидкого органического носителя водорода). Установлено, что формирование на поверхности наночастиц Y2O3:Eu3+ оболочки из аморфного SiO2 со средней толщиной около 1.5 нм увеличивает абсолютный квантовый выход фотолюминесценции Eu3+ при возбуждении λ = 395 нм с 14 % до 68 %. Разработан метод получения графена, допированного атомами бора (В-графена), с использованием MgO и фенилборной кислоты. Разработан темплатный метод получения N-графена, содержащего от 2 до 5 мас.% азота, с очень высокой удельной поверхностью (1200-1400 м2/г). Синтезированы наноструктурированные Cu-Fe-Al прекурсоры и СuFeAlO/CuFeAl композиты, армированные пенометаллами, и исследованы их физические и каталитические свойства. Показано, что наиболее стабилен образец со стехиометрией Cu:Fe:Al = 45:22:33 ат. %. Обнаружено, что активность в области температур 330-400 °С определяется не только железо-, но и медь-содержащими активными центрами на поверхности катализаторов. Двухстадийная мехактивация приводит к более глубокому химическому взаимодействию компонентов – Fe и Cu, что обеспечивает более высокую активность бесхромовых CuFeAl керамометаллических катализаторов. Изучены закономерности формирования, физико-химические и каталитические свойства серии оксидных LaCoxM1-xO3 (M=Cu, Fe) катализаторов с развитой поверхностью. Катализаторы LaCoxFe1-xO3 в гидрировании CO2 обладают наиболее высокой селективностью в синтезе высших углеводородов. Использование углеродного волокна в качестве носителя для LaCoxCu1-xO3 катализаторов в конверсии синтез-газа представляется перспективным для синтеза спиртов. Приготовлены и исследованы биметаллические Pt-Pd стекловолокнистые катализаторы, предназначенные для окисления метана при низких температурах. Исследованы носители и катализаторы на основе пористого оксида иттрия; разработана и апробирована детальная математическая модель изотермического спекания Y2O3, испытаны в реакции метанирования СО2 новые катализаторы Ni/Y2O3. Получены новые регенерируемые сорбенты СО2 на основе K2CO3 и углеродных нанотрубок, обладающие высокой сорбционной ёмкостью; исследованы механизмы влияния водорастворимых полимеров на динамику сорбции СО2 с использованием нерегенерируемых известковых сорбентов. Установлены причины и условия обратимого изменения свойств нанокластеров Pt на γ-Al2O3 под действием реакционной среды. Исследована эволюция текстурных и адсорбционных свойств металлорганических координационных полимеров MIL-101 и ZIF-8 в ходе их термической обработки. Определены условия, позволяющие сохранить кристаллическую структуру NH4-содержащей формы цеолита LSX. Разработан метод оценки распределения кремния в силикаалюмофосфатах со структурой SAPO-11 на основе данных по адсорбции водорода. Разработана модель подвижной структуры для описания процессов адсорбции в металлорганической структуре CAU-10-X. На основе вероятностного подхода Байеса разработан и обучен классификатор типов петель капиллярно-конденсационного гистерезиса. Методом ЯМР кристаллографии, представленным комбинацией ЯМР спектроскопии твёрдого тела на ядрах 93Nb, 6,7Li, квантовохимическими расчётами и РФА, исследованы перспективные анодные материалы TiNb2O7 для высокомощных литий-ионных аккумуляторов повышенной ёмкости. Методом operando XANES, в сочетании с многоядерной 51V, 27Al, 31P, 1H ЯМР- и ЭПР-спектроскопией, определён оптимальный состав катализатора VPO/Al2O3 (8V9PAl) и условия его синтеза. Вычислены пути реакции окислительного дегидрирования пропана на поверхностном центре оксида ванадия на грани (111). Показано преимущество одновременного применения 59Co ЯМР спектроскопии во внутреннем поле образца и спектроскопии ФМР для исследования кристаллической структуры и размера наночастиц Co. Показано, что обработка водородом под высоким давлением механохимически активированной смеси порошков кобальта и циркония приводит к измельчению частиц кобальта и появлению значительного количества мелких однодоменных частиц металлического Со.