Безметальные электрокатализаторы получения водорода и синтез-газа: кинетика, механизм и структурный дизайн катализаторов

Цель научного исследования: создание и исследование электрокаталитической активности у нового класса молекулярных безметальных катализаторов на основе гетероциклических органических соединений в реакциях электрохимического получения водорода и сопряжённых процессах электрокаталического восстановления диоксида углерода и воды, для получения синтез-газа (СО + Н2) и различных ценных продуктов на его основе: метанола, диэтилового эфира, синтетических масел. Основной задачей проекта является создание на основе "молекулярных платформ", содержащих органические соединения различной природы и функциональности, нового класса электрокаталитических систем, способных в зависимости от условий процесса к генерированию водорода, а также к сопряжённому процессу образования водорода и управляемому селективному мультиэлектронному восстановлению диоксида углерода до СО для получения смеси СО и Н2 (исходных компонентов в процессе Фишера-Тропша - рекции получения ценных органических соединений) из насыщенных водных растворов СО2 в воде. В качестве катализаторов будут использованы "молекулярные платформы" на основе гетероциклических органических соединений - акридина, пиридина, 2,2'-бипиридина и 2,2':6',2''-терпиридинов. Объединение в одной молекуле двух и более каталитических центров на основе пиридина, приведет к увеличению эффективности и селективности процесса (синэнергетический эффект). Кроме этого, использование моноалкилированных производных 2,2'-бипиридина и 2,2':6',2''-терпиридинов, позволит реализовать электрокаталитические реакции селективного получения СО и Н2 на "раздельных" центрах: на незамещенном центре - образование СО, на замещенном - образование молекулярного водорода. В рамках данной задачи будут решены следующие подзадачи: - Создать бифункциональные электрокаталитические системы на основе производных 2,2'-бипиридина и 2,2':6',2''-терпиридинов, способных к одновременной реализации на разных каталитических центрах, двух различных процессов - образования молекулярного водорода и восстановления СО2 до СО: выявление условий проявления синергетического эффекта при объединении в одной молекуле катализатора двух или трех пиридин-содержащих фрагментов. - С использованием различных электрохимических методов определить влияние природы заместителя у атома азота, а также влияние природы кислоты (рК) на эффективность, селективность и механизм синхронного электрокаталитического процесса образования молекулярного водорода и восстановление углекислого газа до СО. - С использованием различны=х электрохимических методов и подходов определить основные кинетические и термодинамические параметры электрокаталитического процесса в присутствии различных органических и неорганических кислот. - С использованием квантово-химических расчетов изучить механизм протекающих процессов. - Выявить ключевые особенности в механизме электрокаталитического процесса влияющие на проявление синергетического эффекта. В результате выполнения проекта будут получены новые, безметальные электрокатализаторы для получения «зеленого» водорода, а также разработана технология сопряжённого электрохимического процесса получения «зеленого» синтез-газа из насыщенных водных растворов С02 в воде, с высокими фарадеевскими выходами и минимальными значениями перенапряжения потенциала. Будет подробно изучена возможность дальнейшего использования получаемого синтез-газа, для получения метанола, диэтилового эфира, синтетических масел и других углеводородов по реакции Фишера-Тропша. Практическая значимость: Полученные результаты будут востребованы в топливно-энергетической отрасли, где водород используется как экологически чистое топливо, в химической отрасли, где синтез-газ широко используется как сырье. Создание на основе органических соединений эффективных каталитических систем позволит еще ближе подойти к проблеме переработки диоксида углерода, что приведет к уменьшению экологической нагрузки за счет «переработки» парниковых газов и получению экологически чистых («зеленых») ценных продуктов (метанол, эфиры и синтетические масла).