Методы формирования активной поверхности оксидных и углеродных материалов для получения адсорбентов и катализаторов

Разрабатываемые в рамках данного проекта подходы будут способствовать появлению новых конкурентоспособных отечественных катализаторов для ряда важных процессов и функциональных углеродных материалов, позволяющих преодолеть сегодняшнюю зависимость российских предприятий от импортной продукции, что стратегически важно для технологической и экономической безопасности страны. Для формирования активной поверхности как катализаторов, так и углеродных материалов с целью повышения их эффективности, требуется развитие новых методических подходов к синтезу. Селективное получение заданных продуктов при гидрировании карбонильных соединений различного состава является актуальной задачей. Регулирование направлений превращений химических соединений возможно за счет выбора предшественника катализатора и метода его синтеза. Использование в качестве предшественника слоистых двойных гидроксидов, введение в структуру атомов переходных металлов и использование различных видов воздействий на стадии синтеза, позволяют создавать моно- и полиметаллические каталитические композиции, регулировать размер, форму нанесенных частиц, электронное состояние активного металла, а также варьировать кислотно-основные и текстурные свойства катализатора. Использование непористых носителей с высокой геометрической поверхностью, например, углеродные пены, позволяет осуществлять быструю диффузию продуктов реакции в объём газовой фазы и делает возможным проведение реакций в условиях высоких линейных скоростей. Перспективным подходом к созданию адсорбционных и каталитических центров с заданными свойствами является и использование в качестве носителей катализаторов углерод-минеральных композитов. Современные технологии производства полимерных материалов основываются на применении в качестве исходного сырья различных α-олефинов. Так, 1-бутен полимеризационной чистоты необходим для производства линейного полиэтилена низкой плотности. В последние годы промышленное производство 1-бутена расширялось за счёт внедрения процессов димеризации этилена, в которых используются гомогенные металлокомплексные катализаторы. Эти катализаторы недостаточно стабильны при эксплуатации, а их выделение из реакционных растворов вызывает трудности. Этих недостатков лишены гетерогенные металлсодержащие катализаторы, однако они не обеспечивают высокий уровень селективности, который необходим при производстве 1-бутена полимеризационной чистоты. В качестве гетерогенных катализаторов селективной димеризации этилена известны различные металлоорганические каркасные структуры (MOF). Вместе с тем, подходы к синтезу таких катализаторов относительно сложны, а применяемые для этого соединения не всегда доступны. Основным способом получения этилена, одного из важнейших субстратов органического синтеза, является пиролиз тяжелых нефтяных фракций. Однако в последнее время на рынке углеводородного сырья наблюдаются сдвиги, связанные с продвижением «зеленой» повестки, что приводит к изменению сырьевой базы для производства этилена в пользу природного газа. Этот способ производства этилена предполагает получение ацетилена из природного газа с последующим его селективным гидрированием в этилен. Водород, необходимый для гидрирования ацетилена, предпочтительно получать с использованием также «зелёных» технологий. Чтобы получить катализатор, который мог бы обеспечить селективное гидрирование ацетилена в этилен азото-водородной смесью, необходимо выполнить исследования, направленные на установление взаимосвязей между природой активного компонента катализатора гидрирования и его способностью вести процесс в направлении образования целевого продукта – этилена. Процесс получения водорода из аммиака является энергозатратным, поэтому для повышения общей эффективности получения «зеленого» этилена также необходимо создать катализаторы, которые бы вели этот процесс разложения аммиака при возможно более низких температурах. Кроме производства этилена в последнее время наблюдается ежегодное увеличение мирового спроса на пропилен из-за роста объемов производства полипропилена, акрилонитрила и т.д. Для сокращения существующего разрыва между спросом на пропилен и его производством разрабатываются целевые способы получения пропилена, для которых перспективными катализаторами являются молибденсодержащие композиции. Варьируя условия приготовления и предварительной обработки, природу носителя, содержание активной фазы можно получать системы с разной природой и дисперсностью поверхностных соединений молибдена. Важной задачей на сегодняшний день остается повышение селективности катализаторов на основе оксидов молибдена, а также стабильности активных компонентов. Одним из способов ее решения является использование носителя с определенными кислотно-основными свойствами, обеспечивающего необходимый тип взаимодействия с активными компонентами. Решение фундаментальных вопросов о закономерностях формирования, природы и состояния активных компонентов молибденсодержащих катализаторов позволит создавать эффективные полифункциональные катализаторы для таких процессов, как превращение этилена в пропилен и дегидрирование пропана. Несмотря на развитие тенденции по внедрению продуктов «зеленой химии» в качестве источников энергии взамен полезным ископаемым, на данный момент продукты переработки нефти являются основными и преобладающими источниками энергии во многих областях промышленности. Ужесточение экологических требований создает необходимость изменения углеводородного состава бензинов, в первую очередь, в сторону снижения доли ароматических углеводородов. Выполнение задач по сокращению содержания ароматики усложняется тем, что одним из базовых компонентов в товарных бензинах на российских НПЗ является риформат – продукт процесса каталитического риформинга, который обогащен до 60-80% ароматическими углеводородами. Разработка комплексного подхода, позволяющего, с одной стороны, получать компоненты бензинов с высоким октановым числом, с другой стороны, ограничить содержание ароматических углеводородов является актуальной задачей. Создание бифункциональных катализаторов на основе анион-модифицированных цирконий оксидных систем для реакции изомеризации С5-С7 алканов может решить задачу получения высокооктанового экологичного компонента бензинов, а разработка способов модифицирования алюмоплатиновых катализаторов риформинга решить задачу по снижению доли ароматических углеводородов в получаемом риформате. Каталитический крекинг сырья нефтяного происхождения на цеолитсодержащих катализаторах является одним из основных вторичных процессов нефтепереработки. В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к утяжелению сырья крекинга и вовлечению в переработку различных типов растительного сырья. Одновременно возрастает содержание в нем органических соединений серы, азота и кислорода, что в свою очередь приводит к загрязнению продуктов крекинга, а также к увеличению токсичных выбросов оксидов SOx и NOx. В тоже время непрерывно возрастают требования к качеству моторных топлив – повышаются требования к октановым характеристикам бензинов. Применение специализированных компонентов в составе каталитических систем позволит, во-первых, регулировать углеводородный состав продуктов крекинга, в том числе повысить содержание компонентов с высокой детонационной стойкостью и, во-вторых, снизить количество выбросов SOx и NOx с газами регенерации. Не менее важным в условиях развития новых технологий становится и расширение областей применения некоторых промышленных продуктов нефтехимического производства. Одним из них является технический углерод (ТУ). Уникальные свойства ТУ позволяют создавать на его основе новые функциональные материалы. Функционализация поверхности кислородсодержащими группами делает этот материал гидрофильным, меняет кислотно-основные свойства поверхности. Термообработка в среде углеводородов и активация кислородсодержащими газами дает возможность получать композиционные материалы, которые будут обладать особой текстурой и функциональным покровом поверхности. Нанесение на поверхность углеродных композитов органических соединений открывает ещё одно направление их использования – в качестве биосорбентов. Несмотря на большой объем публикаций в данной области, остается актуальным вопрос избирательной адсорбции патогенных молекул. Углеродные адсорбенты считаются одними из наиболее перспективных материалов для улавливания диоксида углерода, выбросы которого являются основным фактором изменения климата. Универсальные возможности технологии получения функциональных материалов на основе технического углерода открывают перспективы по созданию эффективных углеродных материалов для всех типов электрохимических систем с различной конструкцией и принципом действия: от батарей и топливных элементов до суперконденсаторов и Ме-ионных (литий, натрий и калий) аккумуляторов. Особая структура пор специальных материалов, полученных «матричным синтезом», открывает перспективы их использования и в качестве активных сорбентов для извлечения тяжелых металлов. В настоящее время в технологии получения металлов остается не до конца решенной проблема извлечения остаточного содержания дорогостоящих компонентов из бедных технологических растворов, которая усложняется еще тем, что эти растворы содержат на порядок и более превышающие концентрации других металлов, повышенный солевой фон и т.д. Создание новых материалов всегда требует развития концептуальных научных подходов к их исследованию для определения ключевых параметров, влияющих на функциональные свойства. Задача установления взаимосвязи «структура-свойства» успешно может быть решена комплексным использованием современных инструментальных методов, применением особых методических подходов, а также за счет привлечения методов математического моделирования.