Гетероструктуры на основе переходных металлов (Fe, Co, Ni) и их оксидов для конверсии, в том числе фотостимулированной, диоксида углерода в метан

Глобальная тенденция к декарбонизации экономики и энергетических систем требует развития новых источников энергии. Кроме того, ежегодно увеличивающиеся выбросы парниковых газов, особенно CO2, в результате сжигания ископаемого топлива приводят к выводу углерода из энергетического цикла. Перспективным методом решения этих проблем является каталитическая конверсия CO2 в синтетическое топливо; так, например, процесс синтеза метана из CO2 уже применяется в промышленности. Широкое распространение для метанирования CO2 получили катализаторы на основе никеля из-за низкой стоимости металла. Однако такие катализаторы не обладают высокой активностью при низких температурах и разрушаются при высоких температурах. Поэтому разработка новых подходов к синтезу катализаторов для эффективной конверсии CO2 в метан является актуальным направлением. С одной стороны, модифицируя активный компонент катализатора, например, добавляя другие металлы, и «настраивая» носитель, можно улучшить стабильность и активность катализатора. Другим подходом к повышению активности и стабильности катализатора является использование дополнительной стимуляции световой энергией для снижения температуры конверсии CO2. Фотокаталитическое восстановление CO2 под действием светового облучения может происходить при комнатной температуре и атмосферном давлении. Используя солнечный свет в качестве источника энергии, процесс синтеза метана из СО2 одновременно позволяет возвращать углерод в энергетический цикл и запасать энергию солнечного света в виде энергии химических связей. Наиболее распространенным носителем активного компонента термокаталитической конверсии СО2 является Al2O3, который, однако, является инертным материалом в фотокаталитических процессах. Его свойства можно улучшить путем модификации частично восстановленным оксидом графена rGO, который способен поглощать свет в видимой области, а также обладает высокой подвижностью носителей заряда и большой площадью поверхности. Данный проект направлен на разработку эффективных катализаторов на основе Ni, Fe и Co для фотостимулированной конверсии CO2 в метан. Разработка тройных гетероструктур на основе переходных металлов, их оксидов (Fe2O3, NiO, Co3O4) и g-C3N4, rGO или rGO-модифицированного Al2O3 позволит снизить температуру гидрирования CO2 посредством использования солнечного света. Активность разработанных катализаторов будет изучена в восстановлении CO2 до CH4 в традиционных термокаталитических, фотокаталитических и фотостимулированных термокаталитических процессах. Впервые будет проведено комплексное исследование структуры, морфологии и химического состава с использованием методов изучения интермедиатов реакций и трансформации катализаторов в режиме in-situ/operando. Полученные результаты создадут научную основу для разработки высокоэффективного катализатора фотостимулированной конверсии CO2 с одновременным накоплением солнечной энергии.