Активные центры “металл-кислородная вакансия” в области межфазных границ гетерогенных M/Ce1-xZrxO2 (M=Ni, Ru, Rh, Pt) катализаторов: от структурной диагностики к дизайну каталитических систем

Создание материалов для каталитических технологий генерации и хранения энергии является исключительно важной и актуальной задачей. Проект направлен на разработку научных основ создания эффективных катализаторов для процессов получения водорода (паровая конверсия СО, ПК СО) , его очистки и запасания в виде метана (метанирование СО/CO2). Наилучшие перспективы использования в данных процессах имеют металлические катализаторы на основе легко восстанавливаемых оксидных носителей. Название проекта подразумевает последовательные этапы исследований с фундаментальной и более прикладной направленностью. Результатами выполнения Проекта 2021 были установление корреляций между структурой катализаторов и их эксплуатационными характеристиками, выявление синергетической кооперации каталитических центров на частицах металлов и на поверхности оксидных носителей. Настоящий проект подразумевает переход в практическую плоскость, использование полученных знаний для разработки высокоэффективных катализаторов. Предполагается как разработка технологий синтеза для обеспечения параметров организации катализаторов, необходимых для достижения их максимальной продуктивности, так и модифицирование состава катализаторов для улучшения их эксплуатационных характеристик и удешевления. Актуальной является задача разработки катализаторов для ПК CO на основе высокоактивной системы Pt/Ce1-xZrxO2 с уменьшенным содержанием дорогостоящей платины без ухудшения функциональных свойств. Предлагаемый подход основан на разработке биметаллических систем. Идея заключается в синтезе катализаторов M-Pt/Ce1-xZrxO2 (M=Cu, Fe), содержащих частицы неблагородных металлов с последующим замещением атомов на поверхности данных частиц на атомы Pt. Новизна заключается как в выборе составов, поскольку композиции Fe-Pt и Cu-Pt, особенно на носителях Ce1-xZrxO2, мало изучены в реакции ПК CO, так и в апробировании новой технологии гальванического замещения. Для реакций метанирования наибольший потенциал и перспективы внедрения имеет система Ni/Ce1-xZrxO2 из-за низкой стоимости. Развитость межфазных границ металл/носитель, содержащих атомы металла и кислород-дефицитные центры, определяет активность системы. В проекте предлагается разработка новых подходов усовершенствования традиционной технологии синтеза систем методом пропитки для достижения высокой дисперсности частиц Ni. Будут рассмотрены и химические подходы к улучшению активности за счет введения добавок второго металла (Co, Fe, Ru). Отсутствуют комплексные исследования влияния такого модифицирования на структуру катализаторов и связанные с этим изменения функциональных свойств. Высокую актуальность представляет переход от модельных систем к прототипам реальных катализаторов, отвечающих жестким техническим требованиям по механической прочности, износостойкости, теплопроводности. Будут приготовлены нанокомпозитные катализаторы на основе структурированных металлических подложек, содержащие наиболее активные композиции M/Ce1-xZrxO2, и проведены их тестирования в реакциях метанирования оксидов углерода и ПК CO. Большинство планируемых исследований представляют предмет научной новизны. Планируется привлечение нового подхода модифицирования металлических катализаторов методом гальванического замещения. Метод уже используется для получения массивных катализаторов, но в приложении к нанесенным системам его потенциал и эффективность практически не изучены. Также планируется применение лиофильной сушки при приготовлении катализаторов методом пропитки. Будет сохранен акцент на анализе взаимосвязи «состав-структура-свойство» со всесторонним исследованием систем в ex situ и in situ режимах. Знания организации систем на атомно-молекулярном уровне позволят реализовать дизайн новых эффективных катализаторов. Сложность диагностики ультрадисперсных частиц обуславливает новизну исследований.