ИСТИНА

Кобальт относится к числу распространенных на Земле неблагородных каталитически активных переходных металлов, однако его применение в реакциях гидродехлорирования, направленных на превращение и утилизацию хлорированных экотоксикантов, изучено мало. Перспективным направлением представляется исследование «парадоксальных» каталитических систем, в которых наночастицы кобальта покрыты углеродной оболочкой, и тем не менее проявляют активность в восстановительных реакциях с участием водорода. Цель работы состоит в выяснении возможности и особенностей применения зауглероженных частиц кобальта в качестве катализатора гидродехлорирования хлорбензола. Для этого будет проведено сравнение двух нетрадиционных нанокомпозитных материалов, включающих кобальт и углерод: Со@C композита, полученного разложением паров углеводородов на наночастицах кобальта, образованных в результате левитационной плавки с последующим диспергированием, и Co/C, приготовленного пиролизом древесных опилок, пропитанных солью кобальта. В первом из композитов частицы кобальта покрыты слоистой углеродной оболочкой, во втором преимущественно погружены в углеродную матрицу. Предполагается, что углеродная оболочка, активированная в результате присутствия дефектов, а также кобальта в подповерхностном слое, не будет препятствовать протеканию каталитического процесса, но сможет защитить поверхность кобальта от окисления в результате воздействия хлороводорода – одного из продуктов гидродехлорирования хлорбензола. В результате детального описания композитов методами электронной микроскопии, адсорбционными, рентгеноструктурного анализа, рентгеновской фотоэлектронной и Рамановской спектроскопии, магнитными и др., исследования влияния на эти параметры условий приготовления, модификации палладием, а также в ходе каталитических испытаний в гидродехлорировании хлорбензола и в ограниченном масштабе в синтезе Фишера-Тропша будут получены новые данные о влиянии взаимодействия кобальта с углеродом на физико-химические и каталитические свойства. Это обеспечит новые фундаментальные знания о механизмах поведения зауглероженных при приготовлении или в ходе реакции металлических частиц и позволит в дальнейшем разработать эффективные, недорогие и устойчивые катализаторы гидродехлорирования, гидрирования, синтеза Фишера-Тропша и других востребованных процессов.

Cobalt is one of Earth-abundant not-noble catalytically active transition metals, however its use in hydrodechlorination reactions directed on disposal of chlorinated ecotoxicants is poorly investigated. Prospective direction is connected with the study of “paradoxal” catalytic systems in which Co nanoparticles are covered with carbon shell, and nevertheless are catalytically active in reductive reactions with H2 as reducing agent. The aim of this work is to clarify possibilities and features of the catalytic use of carbon-covered Co particles in hydrodechlorination of chlorobenzene. To achieve this purpose, the comparison of two types of nanocomposite materials including Co and C will be made. In the first system Co nanoparticles are covered with layered carbon shell, in the second one they are immersed into carbon matrix. We suppose that carbon shell activated by the presence of defects and Co in subsurface layer will not prohibit catalytic action, but will be able to mitigate deactivation under the influence of hydrogen chloride which is by-product of hydrodechlorination reaction. New data about the influence of Co-C interaction on physical-chemical and catalytic properties will be obtained from the detailed study of nanocomposites using electronic microscopy, adsorption and magnetic methods, XRD, XPS and Raman spectroscopy, as well as catalytic tests in chlorobenzene hydrodechlorination and in limited scope in Fischer-Tropsch synthesis. The influence of preparation condition and modification by Pd on the Co-C interaction will be demonstrated. As a result new fundamental data on the mechanism of catalytic action of carbon-coated cobalt particles will be obtained. It will constitute the basement for future development of effective, not-expensive and stable catalysts for hydrodechlorination, hydrogenation, Fischer-Tropsch synthesis etc.

В ходе выполнения проекта будут получены следующие результаты. 1. Будут определены каталитические свойства нанокомпозитов состава кобальт-углерод двух структурных типов, включающих наночастицы кобальта, покрытые углеродной оболочкой из нескольких графеновых слоев, и включающих покрытые и непокрытые углеродом частицы кобальта/оксида кобальта, в реакции газофазного гидродехлорирования хлорбензола и в реакции синтеза Фишера-Тропша. 2. Будут определены каталитические свойства нанокомпозитов M/C состава кобальт-палладий-углерод в гидродехлорировании хлорбензола. 3. Будут определены структурные характеристики обоих типов нанокомпозитов (размер частиц металла (методы ПЭМ и магнитные), природа и текстура окружающего частицы металла углеродного материала (КР- и ИК-спектроскопия, адсорбционные методы, СЭМ, ПЭМ) , валентное состояние металла (РФЭС, термопрограммированное восстановление), способность к восстановлению (термопрограммированное восстановление), присутствие/отсутствие карбидных/оксидных фаз (сочетание РФЭС, термопрограммированного восстановления, РФА, магнитных методов) до и после каталитических испытаний. 4. Будет проведена кислотная обработка с целью удаления непокрытых углеродом частиц металла из кобальтсодержащих образцов и проведены каталитические испытания обработанных образцов с целью выявления возможности проведения реакции только на покрытых углеродной оболочкой частицах. 5. На основании полученных результатов будут предложены механизмы действия обоих типов нанокомпозитов и определен состав активных центров реакции гидродехлорирования. 6. Полученные результаты позволят выявить степень влияния взаимодействия между кобальтом и углеродом в ходе приготовления и в процессе катализа на каталитическую эффективность. Фундаментальное значение полученных результатов состоит в том, что будут предложены механизмы влияния образования карбидных фаз и взаимодействия металла (кобальта) с углеродом на каталитические свойства в реакциях с участием водорода. В практическом аспекте это поможет в разработке недорогих, эффективных и стабильных катализаторов востребованных химических процессов (синтез Фишера-Тропша, гидрирование, гидродехлорирование и др.).