Развитие методов синтеза и управления функциональными характеристиками наноразмерных материалов для решения задач экологически чистой и ресурсосберегающей энергетики

Стремительный рост численности населения и повышение благосостояния стран приводят к наращиванию производственных мощностей и увеличению энергопотребления, которое становится индикатором развития мировой экономики. При этом усиливается нагрузка на окружающую среду, повышается риск дефицита энергоресурсов и возрастает экономический ущерб от природно-техногенных катастроф. Все эти изменения наблюдаются на фоне глобального потепления, которому способствует рост концентрации углекислого газа (СО2) в атмосфере за счет наращивания производств. Обеспокоенность высокими темпами изменения климата в рамках Рамочной конвенции ООН стало толчком принятия Парижского соглашения (2015 г.), регулирующего меры по снижению содержания СО2 в атмосфере. Таким образом, остро встал вопрос модернизации мировой экономики за счет использования экологически чистых и ресурсосберегающих технологий, прежде всего, в энергетике. Современный уровень потребления энергетических ресурсов обеспечивается за счет ископаемого углеводородного сырья, которое не всегда рационально используется. Повысить эффективность его переработки можно благодаря созданию конкурентоспособных технологий получения химически ценных продуктов с высокой добавочной стоимостью, а также инновационных материалов с заданными функциональными характеристиками. Кроме того, развитие ресурсосберегающих технологий позволит вовлекать в производство энергии высокотоксичные органические соединения, утилизация которых пока не нашла удовлетворительного решения. Тем не менее, повышение глубины переработки углеводородного сырья будет лишь опосредовано способствовать снижению углеродного следа. Следовательно, она должна реализовываться в сочетании с технологиями утилизации СО2. Более радикальный подход состоит в изменении принципов потребления и генерации энергии, где главной альтернативой углеводородным энергоносителям выступает водород. Однако переход на этот экологически чистый энергоноситель требует решения ряда сложных задач, как его получения, так и длительного хранения без существенных потерь. Глобальная переориентация энергетики на экологически чистые и ресурсосберегающие технологии с целью снижения углеродного следа невозможна без разработки новых функциональных материалов с заданными свойствами. При этом появление на внутреннем рынке инновационной продукции позволит снизить зависимость российской экономики от импорта наукоемких товаров и экспортной направленности эксплуатации природных ресурсов, что соответствует Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации. Блок 1 Попутный нефтяной газ (ПНГ) пока остается маловостребованным продуктом нефтедобывающей отрасли, поэтому стоит вопрос разработки экологически ориентированных технологий его эффективной переработки, поскольку, традиционно, его сжигают на месте добычи. Это приводит к безвозвратной потере углеводородного сырья и увеличению углеродного следа нефтедобычи. Тем не менее, ПНГ востребован для получения широко круга химических соединений как базовых продуктов нефтехимического синтеза. В последнее время акцент исследований смещается и на получение из этого углеводородного сырья углеродных наноматериалов (УНМ), разнообразие форм и структуры которых определяется условиями их синтеза. Распространенным способом получения этих материалов является каталитический пиролиз углеводородов. Варьируя его условия можно синтезировать продукты с заданными свойствами, а функционализация поверхности и допирование позволяет адаптировать их к конкретным приложениям. Таким образом, разработка высокодисперсных катализаторов пиролиза углеводородов и выбор способов модификации УНМ остается актуальной задачей. При этом использование высокотоксичных хлорзамещенных углеводородов в качестве источника углерода позволяет рассматривать данный метод не только как подход получения функционализированных УНМ, но и как способ утилизации опасных загрязнителей. Следует отметить, что кроме УНМ продуктом пиролиза углеводородного сырья выступает водород, который рассматривается как альтернативный экологически чистый энергоноситель. Блок 2 Одной из форм УНМ являются многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ), которые характеризуются уникальным сочетанием механических, электропроводящих и оптических свойства, что позволяет создать на их основе сверхлегкие и сверхпрочные композиционные материалы. Мировое производство МУНТ растет со скоростью до 40 % в год, и предполагается, что достигнет 80 тыс. т/год к 2040 г. В настоящий момент они уже востребованы, и доля их потребления будет ежегодно возрастать за счет применения как компонентов композитных материалов катодов и анодов литиевых батарей высокой емкости и мощности; армирующих добавок к электродам свинцовых аккумуляторов; токопроводящих полимеров; высокопрочных композитных полимерных материалов и армированных резин; углерод-углеродных композитных материалов; высокопрочных композитов для ракетной и аэрокосмической отраслей на основе волокнистых материалов; высокопрочных композитных материалов на основе металлов и керамик; суперконденсаторов; антиобрастающих покрытий морских судов; систем, отражающих и поглощающих электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн; лакокрасочных материалов с высокой стойкостью и эластичностью; трещиноустойчивых керамик и бетонов; смазочных материалов с улучшенными свойствами и др. материалов, в том числе для медико-биологических приложений. Следует отметить, что для каждой области применения МУНТ требуется свой специфический набор свойств, что определяется функциональными характеристиками катализаторов для их получения. Блок 3 Селективность и активность протекания каталитических процессов существенно зависит от дисперсности, структуры и электронного состояния активного компонента, а также природы функциональных групп на поверхности носителей. Так, переход к наноразмерным частицам оксидов металлов стал одним из инструментов управления реакционной способностью, адсорбционной емкостью и каталитической активностью. При этом вартировать функциональных характеристики можно за счет управления условиями синтеза. Среди многообразия методов приготовления высокодисперсных материалов аэрогельный подход представляет значительный интерес, поскольку позволяет получать материалы с высокими удельной поверхностью и пористостью. Эффективным способом стабилизации размера наночастиц оксидов при высоких температурах является создание на их поверхности покрытий, препятствующих непосредственному контакту оксидных наночастиц и их укрупнению. Оптимизация размеров активного металла и взаимодействия метал-оксид позволят получать катализаторы из благородных металлов с повышенной активностью и селективностью в различных каталитических процессах. Наноструктурированные углеродные материалы, в том числе углеродные ксерогели (УК), находят широкое применение в ряде адсорбционных, каталитических и электрохимических приложений. Биметаллические катализаторы на основе углеродных носителей могут использоваться в таких важных каталитических промышленных процессах, как гидрирование и дегидрирование. Большой интерес также представляет разработка способов приготовления материалов «металл/УК» с оптимальной пористостью и дисперсностью металла. Методы компьютерного анализа и машинного обучения (КАМО) актуальны благодаря возможности прогнозирования свойств адсорбентов и катализаторов, что позволяет сократить длительность экспериментальной работы, а также дополнять и систематизировать данные экспериментов. Кроме того, развитие методов КАМО даст принципиально новый импульс для направленного регулирования адсорбционных, текстурных и каталитических свойств катализаторов. Блок 4 Одним из традиционных способов переработки СО2 является его гидрирование на дешевых никелевых катализаторах. Их синтез осуществляется в несколько стадий с использованием растворителя, из которого необходимо выделить предшественник катализатора и в дальнейшем утилизировать. При этом длительность синтеза, его энерго- и ресурсоемкость можно существенно снизить за счет перехода на безрастворные методы приготовления катализаторов. Один из таких подходов можно успешно реализовать в режиме твердофазного горения органометаллических комплексов никеля, содержащих энергоемкие органические лиганды и анионы-окислители. При этом энергоемкие комплексы также можно приготовить без использования растворителей и дополнительно вести в их состав второй металл. Развитие работ по модифицированию никелевых катализаторов весьма актуально, т.к. направлено на предотвращение их быстрой дезактивации из-за зауглероживания и агломерации активного компонента, а также на повышение их активности в температурном диапазоне до 350 С, где никелевые системы мало эффективны. Блок 5 В технологиях получения водорода как энергоносителя для экологичных мобильных энергоустановок на основе низкотемпературных топливных элементов с протонообменной мембраной твердым стабильным на воздухе борсодержащим гидридам (NaBH4, NH3BH3, (CH2NH2BH3)2), как системам хранения водорода, уделяют особое внимание, поскольку процесс их каталитического гидролиза может обеспечить генерацию водорода при температурах окружающей среды при добавлении воды из разных природных источников. Этот процесс незаменим для обеспечения работы приборов в полевых условиях и пересеченной местности, когда доставка водорода осложнена массогабаритными характеристиками баллонов и проблемами безопасности. Катализатор крайне необходим для запуска газогенерации и является инструментом управления ее скоростью и температурой реакционной среды. На сегодняшний день наиболее актуальна разработка активных и стабильных катализаторов, не содержащих металлы платиновой группы. Опираясь на уже достигнутый уровень исследований в этой области, в предлагаемом проекте планируется осуществить фундаментальные и практически значимые работы, направленные на развитие методов управления функциональными характеристиками катализаторов для водородгенерирующих композиций с регулируемым и безопасным процессом генерации водорода.