Лаборатория «Нанокатализаторы и функциональные материалы»
Катализаторы на основе металлов широко применяются в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей промышленности. Особое значение катализаторы на основе цветных металлов имеют в промышленном синтезе метанола. Процесс производства основан на каталитическом синтезе метанола из смеси монооксида углерода и водорода (синтез-газа). При производстве метанола катализаторы требуются на этапе получения синтез-газа и на этапе получения из конвертированной смеси водорода и оксидов углерода метанола. Традиционно, в России и за рубежом, для создания носителей катализаторов используют пористую керамику или оксидную основу, на которую различными способами наносят активные металлы и их оксиды. Такая технология порождает массу недостатков. Перспективными здесь могут стать нанокатализаторы на основе частиц с развитой поверхностью из неблагородных металлов и их оксидов. Они более термостабильны, прочны, легко регенерируются, удобны в эксплуатации и занимают меньше пространства. Именно их разработкой и занимаются сотрудники лаборатории. Разработка технологии, получение, исследование и внедрение в производство, предлагаемых нанокатализаторов, позволит резко уменьшить размеры реактора синтеза метанола и стоимость его загрузки катализаторами, уменьшить импортную зависимость страны.
Название проекта: Разработка физико-химических основ технологии получения принципиально новых нанокатализаторов на основе неблагородных металлов
Приоритет СНТР: а, г, д
Направления исследований: Принципиально новые металлические материалы в виде частиц, кристаллов (в том числе пентагональных), слоев и покрытий из них; катализаторы и фотокатализаторы промышленного и экологического назначения; технологии, материалы и оборудование, предназначенные для глубокой очистки воды и воздуха от токсических загрязнений
Цель проекта: Создание на основе металлов принципиально новых каталитически активных материалов
Научные результаты:
- Разработаны физико-химические основы технологии получения новых каталитически активных материалов на основе металлов.
- Создан и исследован принципиально новый класс функциональных металлических материалов на основе пентагональных кристаллов, состоящих из нано- и микрокристаллов (размером от 0,05 до 50 мкм) с пятерной симметрией, содержащих высокоэнергетические дефекты дисклинационного типа и имеющих уникальные свойства.
- Созданы и исследованы образцы эффективных катализаторов промышленного и экологического назначения (для синтеза анилина, деструкции органических загрязнений в воде, очистки воздуха от токсических примесей, конверсии углеводородов). Такие образцы созданы на основе пентагональных кристаллов, обладающих максимально возможной запасенной упругой энергией и высокой каталитической активностью. Разработаны, исследованы и апробированы цельнометаллические катализаторы из пентагональных медных пирамид, обладающих высокой прочностью, адгезией и теплопроводностью, а также высокой каталитической активностью и селективностью в каталитических реакциях восстановления нитробензола до анилина. Созданы, исследованы и апробированы в лабораторных условиях медные катализаторы в виде икосаэдрических микрочастиц, ограненные только каталитически активными атомными плоскостями.
- Впервые в мире получены медные катализаторы в виде усеченных икосаэдров, отвечающие всем требованиям, предъявляемым к катализаторам, работающим по перспективным технологиям «псевдоожиженного слоя», а именно: определенный размер (15-20 мкм), сферическая форма, высокая теплопроводность, прочность, износостойкость и каталитическая активность.
- Разработан технологический регламент получения катализаторов из дефектных медных кристаллов, предназначенных для синтеза из нитробензола анилина, исследованы образцы катализаторов.
Внедрение результатов исследования:
- Подано 10 заявок на изобретения, получено 6 патентов.
- Внедрена на технологическом участке Тольяттинского государственного университета и ООО «Нанотехнологии для экологии» технология получения принципиально новых материалов, состоящих из пентагональных частиц и кристаллов.
- Передана ООО «НПО Аква» по лицензионному соглашению технология получения фотокатализаторов, активных при видимом свете и предназначенных для деструкции органических загрязнений, находящихся в воде, для внедрения в реальный сектор экономики. Также передано 4 патента.
- Заключены лицензионное соглашение и контракт на софинансирование проекта с ООО «Очистные системы водоочистки» на передачу патентов и пилотного оборудования мембранно-фотокаталитической технологии, предназначенные для очистки сточных вод, образующихся в аэропортах страны и содержащие токсический этиленгликоль.
- Заключены хозяйственные договоры на реализацию проекта «Нанотехнологии глубокой очистки гипертоксичных сточных вод, образующихся на полигонах захоронения твердых бытовых отходов (ТБО)» с ООО «Эколос» и ООО «Санэнвиро».
- Разработана и находится на стадии изготовления блочно-модульная установка, предназначенная для глубокой очистки гипертоксичных сточных вод, образующихся на полигонах ТБО. Изготовлением занимается ООО «Санэнвиро», проект реализуется по заданию правительства Самарской области.
- Разработана технология и создано оборудование, предназначенное для очистки до нормативных требований сточных вод, образующихся на ПАО «КуйбышевАзот».
- Разработана и изготовлена пилотная установка, предназначенная для фотокаталитической деструкции фенола, находящегося в воде, совместно с Инновационным фондом Самарской области.
Образование и переподготовка кадров:
- Защиты: 3 докторские диссертации, 7 кандидатских диссертаций, 25 выпускных квалификационных работ магистра по тематике Лаборатории.
- Организованы стажировки и повышение квалификации в российских и зарубежных научных организациях для 8 аспирантов и молодых ученых Лаборатории.
- Издано 8 монографий, 6 учебных пособий по подготовке бакалавров, магистров и аспирантов.
- Разработаны учебные курсы по направлению «Материаловедение и технологии наноматериалов и покрытий».
- Проведена международная конференция «Физическое материаловедение» с элементами научной школы для молодых ученых (2013, 2016, 2017 гг.).
Организационные и инфраструктурные преобразования:
Созданная в Тольяттинском государственном университете инновационная научно-исследовательская инфраструктура включает:
- 5 современных научно-исследовательских лабораторий (НИЛ «Физика поверхности новых материалов», НИЛ «Специфические нанообъекты и функциональные материалы», НИЛ «Спектроскопия веществ», НИЛ «Нанокатализаторы и каталитические системы», НАЦ «Анализ воды, почвы и ТБО»);
- Центр оценки соответствия нанопродукции;
- Участок для изготовления образцов пилотной и инновационной продукции;
- Учебно-исследовательские лаборатории (атомно-силовой микроскопии; исследования физико-механических свойств наноматериалов; моделирования физических процессов).
Другие результаты:
Создан научно-технический задел для новых, крупных проектов по научным направлениям: физико-химические основы выращивания готовых микроизделий из металлических пентагональных нанообъектов; разработка, исследование и испытание эффективных катализаторов, предназначенных для синтеза из нитробензола анилина.