Новый катализатор для эффективной переработки CO2

27 декабря 2021 годаНаука

Научный коллектив НИТУ «МИСиС» представил новый катализатор на основе нитрида бора и наночастиц железа и платины, демонстрирующий высокую степень переработки углекислого газа: конверсия СО2 составила 25% при температуре 350 С, что в 10-15 раз выше, чем для типичного катализатора на основе железа. Катализатор может быть широко использован в металлургии, на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Результаты работы опубликованы в международном научном журнале Journal of Catalisys.

Рост концентрации парниковых газов — одна из основных причин роста среднегодовой температуры и глобальная мировая проблема. Снижение уровня выделения СО2 является одной из самых актуальных долгосрочных задач человечества и серьезной задачей для научного сообщества.

На сегодняшний день существуют два основных способа производства катализаторов для переработки углекислого газа: с использованием благородных металлов — эффективный, но дорогой, и без них — дешевый, с заметно сниженными характеристиками.

Научный коллектив НИТУ «МИСиС» предложил компромиссное решение — взять за основу катализатора недорогое железо, снизив содержание благородных металлов, в данным случае платины, до менее 1 атомного %.

Но и при реализации предложенного решения есть сложность — биметаллические наночастицами железо-платина при повышенных температурах показывают высокую склонность к слипанию (агломерации). Удельная поверхность частиц при этом падает, что негативно сказывается на каталитических свойствах.

«Мы впервые использовали нитрид бора в качестве носителя для каталитически активных наночастиц железо-платина. Одна из особенностей полученного гетерогенного материала состоит в том, что после синтеза размер частиц железо-платина составляет всего 2 нанометра. За счет столь малого размера эти частицы распределяются по поверхности нитрида бора очень равномерно. Но, что еще более интересно, в ходе каталитического процесса размер частиц железо-платина, возрастает, но не сильно (в среднем до 8 нанометров).

Мы считаем, что это одна из причин, которая позволяет материалу показывать столь высокие каталитические свойства», — рассказывает соавтор работы научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматерилы» НИТУ «МИСиС», к.т.н., Антон Конопацкий.

В работе коллектив показал уникальный в своем роде механизм стабилизации наночастиц железо-платина: при повышенных температурах тонкие листы нитрида бора оборачивались вокруг частиц. В результате формировались гетерогенные частицы со структурой типа «ядро-оболочка» и их агломерация значительно замедлялась.

«Мы использовали сравнительно простую методику химического синтеза наших катализаторов. Одним из наиболее важных шагов было равномерное диспергирование исходных материалов в среде синтеза. За изменениями в структуре синтезированного материала наблюдали в in situ режиме в колонне просвечивающего электронного микроскопа при температуре 500 С. Это позволило? в некотором приближении? представить нам, что происходит с материалом в ходе катализа»,

 — добавляет Антон Конопацкий.

Полученный материал может найти применение на любых предприятиях с массовыми выбросами СО2. Это химические, нефтеперерабатывающие предприятия, металлургические заводы, целлюлозная промышленность и многое другое.

Основным продуктом реакции переработки СО2 с применением полученного катализатора является СО (угарный газ), который может повторно применяться в промышленных процессах. Однако, по словам разработчиков, с экономической точки зрения больший интерес представляет получение из СО сложных углеводородов с большой добавленной стоимостью. Именно этой задачей планирует заняться коллектив в продолжение исследований.

Поделиться

• 29 декабря Ученые НИТУ «МИСиС» займутся терапией болезни Альцгеймера
• 28 декабря НИТУ «МИСиС» запускает новый онлайн-курс на edX
• 27 декабря Новый катализатор для эффективной переработки CO2
• 27 декабря Предложено решение главной проблемы углеродных нанотрубок
• 26 декабря Разработан механизм быстрого поиска по специализированным базам данных

НовостиНаука

Свежие

СМИ о нас

Поступающим

5-100

Объявления приемной комиссии

Наука

Образование

Международное сотрудничество

Университетская жизнь

Достижения науки

Научное сообщество

Федеральные целевые программы

Взаимодействие с бизнесом

COVID-19

Объявления для студентов

Объявления Центра подготовки кадров высшей квалификации

НИТУ МИСИС меняет мир

Достижения студентов

Поздравления

Импортозамещение

Мероприятия и выставки

ЦИНТИ

Программа «Приоритет 2030»

13 декабря

Ученые предложили использовать панцирь морского гребешка в стоматологии

9 декабря

Ученые создали новый материал для «выращивания» органов и тканей

5 декабря

НИТУ МИСИС будет использовать технологии искусственного интеллекта от Cloud

Читать все новости

В России создали новый эффективный катализатор для нефтехимии

https://ria. ru/20220221/kfu-1773553223.html

В России создали новый эффективный катализатор для нефтехимии

В России создали новый эффективный катализатор для нефтехимии — РИА Новости, 21.02.2022

В России создали новый эффективный катализатор для нефтехимии

Российские ученые синтезировали новый стабильный катализатор химических реакций на основе полимерных частиц и палладия. По их мнению, разработка найдет… РИА Новости, 21.02.2022

2022-02-21T09:00

2022-02-21T09:00

2022-02-21T15:26

наука

навигатор абитуриента

казанский (приволжский) федеральный университет

университетская наука

казань

россия

российский научный фонд

технологии

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0c/04/1587740620_0:193:3072:1921_1920x0_80_0_0_d3eb5eb91a793a9ab6326b4d65adccff.jpg

МОСКВА, 21 фев — РИА Новости. Российские ученые синтезировали новый стабильный катализатор химических реакций на основе полимерных частиц и палладия. По их мнению, разработка найдет применение в нефтехимической и фармацевтической промышленности. Исследование опубликовано в журнале Molecules.Палладий — благородный металл, способный ускорять самые разные химические реакции. Благодаря этому свойству его применяют при производстве и очистке нефтепродуктов, при синтезе пластиковых материалов, а также при создании лекарств — 17 процентов всех химических реакций проводят с палладиевыми катализаторами.Основной недостаток палладия как катализатора состоит в том, что его частицы часто слипаются в растворе, образуя неактивные крупные конгломераты — палладиевую чернь.Решением этой проблемы занялись ученые Химического института имени А. М. Бутлерова Казанского федерального университета совместно с коллегами из Института органической и физической химии имени А. Е. Арбузова. Они предложили для стабилизации палладия наносить его на полимерные органические наночастицы.В качестве основы для наночастиц химики взяли поверхностно-активные соединения, содержащие два типа функциональных фрагментов — карбеновые лиганды (лиганды, содержащие двухвалентный углерод, который вместо типичных для этого элемента четырех ковалентных связей, образует лишь две, а оставшиеся два электрона образуют неподеленную электронную пару), способные соединяться с палладием и стабилизировать его, а также азидные (алкинильные) фрагменты, благодаря сшиванию которых между собой молекулы собираются в полимерные наночастицы, по размеру сопоставимые с вирусом. Исследователи проводили сборку и сшивку соединений в водном растворе, после чего к полимерному продукту добавляли соль палладия и аскорбиновую кислоту. В таких условиях ионы благородного металла оседали на полимерную подложку и при восстановлении формировали на их поверхности нанокластеры.Для проверки каталитической активности новой системы исследователи провели модельную химическую реакцию восстановления пара-нитрофенола в воде. Расположенные на полимерной поверхности нанокластеры палладия на порядок ускорили химическую реакцию по сравнению со свободными палладиевыми частицами.»Это можно объяснить тем, что носитель, по поверхности которого равномерно распределен палладий, не давал металлу образовать неактивные конгломераты. Такая система нивелирует главный недостаток чистого палладия», — отметил Бурилов.Кроме того, ученые продемонстрировали возможность повторного использования катализатора до пяти циклов без потери активности. По их мнению, это делает его экологичнее и дешевле большинства других катализаторов. Исследование было поддержано грантом Российского научного фонда.

https://ria.ru/20210629/nauka-1738997652.html

https://ria.ru/20211006/misis-1753346051.html

казань

россия

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2022

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21. img.ria.ru/images/07e4/0c/04/1587740620_341:0:3072:2048_1920x0_80_0_0_341e0a3b34fc5897b514b7cb64d1c808.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

навигатор абитуриента, казанский (приволжский) федеральный университет, университетская наука, казань, россия, российский научный фонд, технологии

Наука, Навигатор абитуриента, Казанский (Приволжский) федеральный университет, Университетская наука, Казань, Россия, Российский научный фонд, Технологии

МОСКВА, 21 фев — РИА Новости. Российские ученые синтезировали новый стабильный катализатор химических реакций на основе полимерных частиц и палладия. По их мнению, разработка найдет применение в нефтехимической и фармацевтической промышленности. Исследование опубликовано в журнале Molecules.

Палладий — благородный металл, способный ускорять самые разные химические реакции. Благодаря этому свойству его применяют при производстве и очистке нефтепродуктов, при синтезе пластиковых материалов, а также при создании лекарств — 17 процентов всех химических реакций проводят с палладиевыми катализаторами.

Основной недостаток палладия как катализатора состоит в том, что его частицы часто слипаются в растворе, образуя неактивные крупные конгломераты — палладиевую чернь.

Решением этой проблемы занялись ученые Химического института имени А. М. Бутлерова Казанского федерального университета совместно с коллегами из Института органической и физической химии имени А. Е. Арбузова. Они предложили для стабилизации палладия наносить его на полимерные органические наночастицы.

29 июня 2021, 09:08Наука

В России открыли катализатор для получения кислородного топлива из воды

В качестве основы для наночастиц химики взяли поверхностно-активные соединения, содержащие два типа функциональных фрагментов — карбеновые лиганды (лиганды, содержащие двухвалентный углерод, который вместо типичных для этого элемента четырех ковалентных связей, образует лишь две, а оставшиеся два электрона образуют неподеленную электронную пару), способные соединяться с палладием и стабилизировать его, а также азидные (алкинильные) фрагменты, благодаря сшиванию которых между собой молекулы собираются в полимерные наночастицы, по размеру сопоставимые с вирусом.

Исследователи проводили сборку и сшивку соединений в водном растворе, после чего к полимерному продукту добавляли соль палладия и аскорбиновую кислоту. В таких условиях ионы благородного металла оседали на полимерную подложку и при восстановлении формировали на их поверхности нанокластеры.

«Мы выяснили, что полимерные наночастицы в качестве носителя позволяют стабилизировать нанокластеры палладия и не дают им слипаться. Благодаря этому предложенная система позволит эффективно ускорять многие каталитические реакции, а также экономить реагенты за счет многократного использования. В дальнейшем мы планируем расширить круг используемых металлов, а также протестировать полученные каталитические системы в реакторах проточного типа», — рассказал доцент кафедры органической и медицинской химии Химического института имени А. М. Бутлерова КФУ Владимир Бурилов.

Для проверки каталитической активности новой системы исследователи провели модельную химическую реакцию восстановления пара-нитрофенола в воде. Расположенные на полимерной поверхности нанокластеры палладия на порядок ускорили химическую реакцию по сравнению со свободными палладиевыми частицами.

«Это можно объяснить тем, что носитель, по поверхности которого равномерно распределен палладий, не давал металлу образовать неактивные конгломераты. Такая система нивелирует главный недостаток чистого палладия», — отметил Бурилов.

Кроме того, ученые продемонстрировали возможность повторного использования катализатора до пяти циклов без потери активности. По их мнению, это делает его экологичнее и дешевле большинства других катализаторов.

Исследование было поддержано грантом Российского научного фонда.

6 октября 2021, 15:27Наука

Российский ученый прокомментировал работы нобелевских лауреатов по химии

Новый катализатор может превращать углекислый газ в бензин в 1000 раз эффективнее

Инженеры, работающие над предотвращением распространения парниковых газов, знают, что в дополнение к сокращению выбросов углекислого газа нам также потребуется удалять углекислый газ из выхлопных газов электростанций или из неба. . Но что нам делать со всем этим захваченным углеродом? Маттео Карньелло, инженер-химик из Стэнфордского университета, работает над тем, чтобы превратить его в другие полезные химические вещества, такие как пропан, бутан или другое углеводородное топливо, состоящее из длинных цепочек углерода и водорода.

«В принципе, мы можем производить бензин», — сказал Карньелло, доцент кафедры химического машиностроения. «Чтобы улавливать как можно больше углерода, вам нужны углеводороды с самой длинной цепью. Цепи с 8-12 атомами углерода были бы идеальными».

Новый катализатор, изобретенный Карньелло и его коллегами, приближается к этой цели, увеличивая образование длинноцепочечных углеводородов в химических реакциях. Он произвел в 1000 раз больше бутана — самого длинного углеводорода, который он мог произвести при максимальном давлении, — чем стандартный катализатор при том же количестве углекислого газа, водорода, катализатора, давления, тепла и времени. Новый катализатор состоит из элемента рутения — редкого переходного металла, принадлежащего к группе платины, — покрытого тонким слоем пластика. Как и любой катализатор, это изобретение ускоряет химические реакции, не изнашиваясь в процессе. Рутений также имеет то преимущество, что он дешевле других высококачественных катализаторов, таких как палладий и платина.

Карньелло и его команда описывают катализатор и результаты своих экспериментов в своей последней статье, опубликованной на этой неделе в журнале  Proceedings of the National Academy of Sciences.

Семилетняя заминка

Карньелло и его команде потребовалось семь лет, чтобы открыть и усовершенствовать новый катализатор. Загвоздка: чем длиннее углеводородная цепь, тем сложнее ее производить. Связывание углерода с углеродом требует тепла и большого давления, что делает процесс дорогостоящим и энергоемким.

Чэншуан Чжоу держит флаконы с рутением (слева) и катализатор с покрытием, а Маттео Карньелло держит трубку, использовавшуюся для экспериментов с реакцией. (Изображение предоставлено Марком Голденом)

В этом отношении способность нового катализатора производить бензин в результате реакции является прорывом, сказал Карньелло. Реактору в его лаборатории потребуется только более высокое давление, чтобы произвести все углеводороды с длинной цепью для бензина, и они находятся в процессе строительства реактора более высокого давления.

Бензин является жидким при комнатной температуре, и поэтому с ним гораздо проще обращаться, чем с его газообразными короткоцепочечными братьями и сестрами — метаном, этаном и пропаном, которые трудно хранить и склонны к утечке обратно в небо. Карньелло и другие исследователи, работающие над получением жидкого топлива из захваченного углерода, представляют себе углеродно-нейтральный цикл, в котором углекислый газ собирается, превращается в топливо, снова сжигается, а образующийся углекислый газ начинает цикл заново.

Усовершенствование полимера

Ключом к заметному увеличению реакционной способности является слой пористого пластика на рутении, объяснил ведущий автор исследования Ченгшуан Чжоу, докторант лаборатории Карньелло, который провел поиск и эксперименты, необходимые для усовершенствования нового покрытие. Катализатор без покрытия прекрасно работает, сказал он, но производит только метан, углеводород с самой короткой цепью, в котором всего один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода. Это вообще не цепь.

«Катализатор без покрытия покрывается слишком большим количеством водорода на своей поверхности, что ограничивает способность углерода находить другие атомы углерода для связи», — сказал Чжоу. «Пористый полимер контролирует соотношение углерода и водорода и позволяет нам создавать более длинные углеродные цепи в результате одних и тех же реакций. Это особенно важное взаимодействие было продемонстрировано с использованием синхротронных технологий в Национальной лаборатории SLAC в сотрудничестве с командой доктора Саймона Бэра, который руководит там Co-Access».

Несмотря на то, что углеводороды с длинной цепью представляют собой инновационное использование уловленного углерода, они не идеальны, признает Карньелло. Он также работает над другими катализаторами и аналогичными процессами, которые превращают углекислый газ в ценные промышленные химические вещества, такие как олефины, используемые для производства пластмасс, метанол и святой Грааль, этанол, которые могут улавливать углерод, не возвращая углекислый газ в небо.

«Если мы сможем сделать из CO ₂ олефины для производства пластмасс, — отметил Карньелло, — мы изолируем их в твердое вещество, которое можно хранить длительное время. Это было бы большим делом».

Другие соавторы — все в Стэнфорде — Саймон Бэр, выдающийся научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC; Стейси Бент, вице-ректор по вопросам последипломного образования и докторантуры и профессор химического машиностроения; Адам Хоффман, научный сотрудник SLAC; ученые с докторской степенью Арун Асунди, Эммет Гудман, Джиун Хонг и Бараа Верги; и аспирант Синдху Натан.

Эта работа была поддержана грантами Фонда Паккард и Института энергетики Прекорт при Стэнфордском университете. Спектроскопическую поддержку оказали Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли и Национальная ускорительная лаборатория SLAC.

Как долго деревья будут поглощать углекислый газ?

H

Анализируя десятилетия экспериментов, исследователи нанесли на карту потенциал двуокиси углерода для увеличения биомассы лесов к концу века, когда концентрация газа в атмосфере может почти удвоиться. Это, в свою очередь, позволит растениям и деревьям накапливать больше углерода.

Перейти к элементу

Недорогой катализатор использует энергию света для превращения аммиака в водородное топливо — ScienceDaily

Исследователи из Университета Райса разработали ключевой активируемый светом наноматериал для водородной экономики. Используя только недорогое сырье, команда из Лаборатории нанофотоники Райс, Syzygy Plasmonics Inc. и Центра энергетики и окружающей среды Андлингера Принстонского университета создала масштабируемый катализатор, которому нужна только сила света для преобразования аммиака в чисто горящее водородное топливо.

Исследование опубликовано в Интернете сегодня в журнале Science .

Исследование отслеживает инвестиции правительства и промышленности в создание инфраструктуры и рынков для безуглеродного жидкого аммиачного топлива, которое не будет способствовать потеплению парниковых газов. Жидкий аммиак легко транспортировать, он содержит много энергии: в молекуле содержится один атом азота и три атома водорода. Новый катализатор расщепляет эти молекулы на газообразный водород, чисто горящее топливо, и газообразный азот, самый большой компонент земной атмосферы. И в отличие от традиционных катализаторов, он не требует тепла. Вместо этого он собирает энергию из света, будь то солнечный свет или энергоскупые светодиоды.

Скорость химических реакций обычно увеличивается с повышением температуры, и производители химикатов уже более века извлекают из этого выгоду, применяя тепло в промышленных масштабах. Сжигание ископаемого топлива для повышения температуры больших реакторов на сотни или тысячи градусов приводит к огромному углеродному следу. Химические производители также ежегодно тратят миллиарды долларов на термокатализаторы — материалы, которые не вступают в реакцию, но ускоряют реакцию при интенсивном нагревании.

«Переходные металлы, такие как железо, обычно являются плохими термокатализаторами», — говорит соавтор исследования Наоми Халас из Rice. «Эта работа показывает, что они могут быть эффективными плазмонными фотокатализаторами. Она также демонстрирует, что фотокатализ можно эффективно выполнять с помощью недорогих светодиодных источников фотонов».

«Это открытие прокладывает путь к устойчивому и дешевому водороду, который можно производить локально, а не на крупных централизованных заводах», — сказал Питер Нордландер, также соавтор Райса.

реклама

---

Лучшие термокатализаторы изготавливаются из платины и родственных драгоценных металлов, таких как палладий, родий и рутений. Халас и Нордландер потратили годы на разработку активируемых светом или плазмонных металлических наночастиц. Лучшие из них также обычно изготавливаются из драгоценных металлов, таких как серебро и золото.

После открытия в 2011 году плазмонных частиц, которые испускают короткоживущие высокоэнергетические электроны, называемые «горячими носителями», в 2016 году они обнаружили, что генераторы горячих носителей могут быть объединены с каталитическими частицами для создания гибридных «антенных реакторов». где одна часть собирала энергию света, а другая часть использовала энергию для проведения химических реакций с хирургической точностью.

Халас, Нордландер, их ученики и сотрудники в течение многих лет работали над поиском альтернатив из недрагоценных металлов как для собирающей энергию, так и для ускоряющих реакцию частей антенных реакторов. Новое исследование является кульминацией этой работы. В нем Халас, Нордландер, выпускник Райса Хоссейн Робатжази, инженер из Принстона и физический химик Эмили Картер и другие показывают, что частицы антенного реактора, сделанные из меди и железа, очень эффективны при преобразовании аммиака. Медная, собирающая энергию часть частиц улавливает энергию видимого света.

«В отсутствие света медно-железный катализатор показал примерно в 300 раз более низкую реакционную способность, чем медно-рутениевые катализаторы, что неудивительно, учитывая, что рутений является лучшим термокатализатором для этой реакции», — сказал Робатжази, доктор философии. выпускник исследовательской группы Халаса, который сейчас является главным научным сотрудником Syzygy Plasmonics в Хьюстоне. «Под освещением медь-железо показало эффективность и реакционную способность, которые были аналогичны и сравнимы с таковыми медь-рутений.

Syzygy лицензировала технологию антенно-реакторной технологии Rice, и исследование включало расширенные испытания катализатора в коммерчески доступных реакторах компании со светодиодным питанием. В ходе лабораторных испытаний в Райсе медно-железные катализаторы освещались лазерами. Испытания Syzygy показали, что катализаторы сохраняют свою эффективность при светодиодном освещении и в масштабе, в 500 раз превышающем лабораторную установку.

«Это первое сообщение в научной литературе, показывающее, что фотокатализ с помощью светодиодов может производить граммовые количества газообразного водорода из аммиака», — сказал Халас. «Это открывает возможность полностью заменить драгоценные металлы в плазмонном фотокатализе».

«Учитывая их потенциал для значительного сокращения выбросов углерода в химическом секторе, фотокатализаторы с плазмонной антенной-реактором заслуживают дальнейшего изучения», — добавил Картер. «Эти результаты являются отличным мотиватором. Они предполагают, что другие комбинации распространенных металлов могут быть использованы в качестве экономически эффективных катализаторов для широкого спектра химических реакций».

Халас — профессор электротехники и вычислительной техники имени Стэнли С. Мура Райс, а также профессор химии, биоинженерии, физики и астрономии, а также материаловедения и наноинженерии. Нордландер — заведующий кафедрой Райс Висс и профессор физики и астрономии, а также профессор электротехники и вычислительной техники, а также материаловедения и наноинженерии. Картер является профессором Герхарда Р. Андлингера в области энергетики и окружающей среды в Принстонском центре энергетики и окружающей среды, старшим стратегическим советником по науке об устойчивом развитии в Принстонской лаборатории физики плазмы и профессором машиностроения и аэрокосмической техники, а также прикладной и вычислительной математики. Робатжази также является адъюнкт-профессором химии в Райс.

Халас и Нордландер являются соучредителями Syzygy и владеют пакетом акций компании.

Исследование проводилось при поддержке Welch Foundation (C-1220, C-1222), Управления научных исследований ВВС (FA9550-15-1-0022), Syzygy Plasmonics, Министерства обороны и Принстонского университета.