Гетерогенний каталіз
Поточні теми досліджень та опис дослідницьких тем команди
Спочатку розроблені методики вивчення процесів адсорбції і десорбції зондів і молекул лугів з поверхні твердих тіл з використанням вакуумних систем і систем високого тиску, оснащених in situ ІЧ-Фур’є спектрометрами і унікальними детекторами поля і поверхневої іонізації, поступилися місцем новим дослідницьким темам. Дослідження тепер можна позиціонувати на стику біологічних, хімічних та інженерних наук.
Команда спеціалізується на спектроскопії та мікроскопії in situ та in operando для вивчення каталітичних твердих речовин в реалістичних умовах. Цей підхід дає унікальне розуміння механізмів дії та дезактивації каталітичних процесів, а також внутрішньої архітектури твердих каталізаторів. Дослідження проводяться з метою їх застосування для існуючих технологічних процесів (наприклад, допалювання метану, синтез аміаку, дегідрування етилбензолу), а також для пошуку нових матеріалів (наприклад, гібридних і функціональних матеріалів), нових методів синтезу (наприклад, використання низькотемпературної плазми, електроспінінгу) і нових реакторних розчинів (наприклад, нових структур як наповнювачів реакторів).
Навчання in situ та operando
дослідження матеріалів для промислового використання
Синтез функціональних матеріалів
Розробка методів синтезу матеріалів для застосування в хімії, медицині тощо.
Реакторне машинобудування
для екологічних процесів
Пропозиція про співпрацю
з промисловими та дослідницькими організаціями в галузі хімії матеріалів
Теми досліджень
Розробка та використання передових спектроскопічних методів (in situ)
Обмеження розуміння поверхневої структури матеріалів можна подолати, використовуючи поверхневі молекули-зонди і спостерігаючи за їхньою поведінкою за допомогою методів спектроскопії in situ та operando (кілька спектроскопічних методів, що застосовуються одночасно з додатковим аналізом газоподібних продуктів).
Серед доступних методів ми використовуємо ультрафіолетову спектроскопію, інфрачервону спектроскопію з перетворенням Фур’є (FTIR) і раманівську мікроскопію для відстеження змін у структурі оксиду металу. Крім того, раманівська та ІЧ-спектроскопія дозволяє оцінити структуру адсорбатів та продуктів реакції. UV/VIS спектроскопія буде використовуватися для оцінки роботи виходу електронів з оксиду і, отже, для класифікації активності каталізатора.
В області окисно-відновних реакцій, якими ми займаємося, основними молекулами-зондами є молекули метану, метанолу та монооксиду вуглецю.
Каталітична конверсія біомаси, метану та оксидів азоту
Каталітичне допалювання летких органічних сполук є предметом інтенсивних досліджень вчених в останні роки. Оскільки каталізатори, які зазвичай використовуються в промисловості, містять благородні метали (наприклад, платину або паладій) як основний активний елемент, сучасні дослідження спрямовані на мінімізацію частки вищезгаданих металів і створення каталізаторів на основі загальнодоступних компонентів (і, таким чином, зниження кінцевої ціни каталізатора). Бажаною характеристикою каталізатора є головним чином висока каталітична активність. Сучасні каталізатори дуже чутливі до отруєння через неправильне спалювання та утворення побічних продуктів після згоряння. Таким чином, їх використання вимагає попереднього аналізу газів та усунення факторів, які можуть знизити їх активність. Незважаючи на багаторічні інтенсивні дослідження, механізм допалювання вуглеводнів на шарі каталізатора до кінця не вивчений. Різні механізми, що широко обговорюються в літературі (шляхи реакції за Ленгмюром-Хіншелвудом, Марсом ван Кревеленом або Елі-Рідеалем), потребують підтвердження дослідженнями проміжних продуктів, що утворюються під час допалювання вуглеводнів.
Інжиніринг каталітичних реакторів
У галузі каталізу нас цікавлять структурні реактори в екологічних процесах. Структурні реактори – це ідея для збільшення параметрів масо- і теплопереносу реагентів, а також для довільного масштабування процесів, що є фундаментальною інженерною проблемою при проектуванні великомасштабних процесів.
Практичне використання таких структур залежить від винаходу активних нанокомпозитних каталізаторів, здатних впоратися з підвищеними транспортними властивостями, а також точних методів приготування каталізаторів із заданою структурою і властивостями на металевих підкладках (структурних наповнювачах реактора), які б не змінювали їхню геометрію. Це дві основні задачі, які вирішувала команда. Каталізатори на основі оксидів металів досліджуються для використання в процесах допалювання летких органічних сполук та відновлення оксидів азоту. Для осадження каталітичного матеріалу на тверді підкладки поки що успішно застосовуються метод ленгмюрівських плівок та метод низькотемпературної плазми.
Розвиток гетерогенного каталізу досяг такого рівня, що для багатьох процесів підвищення їх ефективності вже залежить виключно від подолання бар’єрів переносу тепла, імпульсу і маси. У традиційному гетерогенному каталізі, що здійснюється в твердому шарі в трубчастих реакторах, процеси переносу розглядаються в масштабі, що накладається розміром зерен (>10-3 м). Зменшення масштабу в звичайному трубчастому реакторі досягається за рахунок зменшення його діаметра (10-2 м) і розміру зерен.
Мікроструктуроване заповнення реактора зазвичай виготовляється з сіток, дроту або листів спеціальної форми з питомою (геометричною) поверхнею від 500 до більш ніж 10 000 м2/м3. На відповідним чином підготовлені поверхні таких заповнювачів наносять шар каталізатора з властивостями, що відповідають вимогам відповідного хімічного процесу.
Порівняно з керамічними монолітами, реактори зі структурним наповненням можуть забезпечити значно кращі експлуатаційні характеристики. Зокрема, в них можна досягти меншого опору дифузії і потоку, меншої теплової інерції і більшої стійкості до термічної дезактивації. Вони також мають ту перевагу, що геометрія заповнення може бути оптимізована для конкретного каталітичного процесу. Показано, що в сітчастих і короткоканальних мікроструктурах, які працюють в області розвитку ламінарного потоку і призначені для реакцій допалювання вуглеводнів, можна досягти високих коефіцієнтів переносу при низькому опорі потоку, а також істотно зменшити габарити реактора. Крім того, мікроструктури практично виключають можливість осідання коксових агломератів і закупорювання ними каналів, що важливо для процесів конверсії вуглеводнів.
Дуже малі розміри каналів мікроструктур висувають особливі вимоги до підготовки каталізатора на їх поверхні. З точки зору дизайну мікроструктури
Молекулярна інженерія каталітичних матеріалів
Синтез і характеризація пористих матеріалів з каталітичним потенціалом на основі оксидів перехідних металів. Основна увага приділяється фундаментальному розумінню процесів формування пористих оксидів, розробці спектроскопічних інструментів для оцінки параметрів синтезу та структурних аспектів матеріалів. Це є своєрідною прелюдією до каталітичного матеріалознавства, оскільки кореляція структурних властивостей матеріалів з їхніми каталітичними властивостями (ефективністю, стабільністю тощо) дозволяє раціонально проектувати і створювати каталізатори.
Функціональні наноматеріали – дизайн та характеристика
Нанотехнології функціональних матеріалів – це нова галузь наших інтересів, але, тим не менш, дуже цікава. Тематика досліджень зводиться до розробки нових нанорозмірних інженерних матеріалів (наприклад, наночастинок, нановолокон) для біологічних, хімічних та інших застосувань.
