КП-06-Н 99_4

Конкурс: Конкурс за финансиране на фундаментални научни   изследвания 2025 г.

Основна научна област: Химически науки

Ръководител:  Проф. д-р Силвия Тодорова

Адрес:  гр. София, ПК 1113 ул. „Акад. Г. Бончев“, бл. 11 на БАН

e-mail: todorova@ic.bas.bg

сл. тел. +359 2 979 25 76

Продължителност:    1 декември 2025 – 30 ноември 2028 г.

Базова организация: Институт по катализ-БАН                                           

Партньор:                    Институт по обща и неорганична химия- БАН 

Основен бюджет:        153 387. 56 Евро

за ИК-БАН – 108 440.13 Евро

за ИОНХ-БАН – 35 790.43 Евро

Допълнителен бюджет  

за ДМА:  63 911.49 Евро

за ИК- 38 346 .86 Евро

за ИОНХ-БАН – 25 564.59 Евро

Резюме:

Метанът е основен компонент на природния газ. Каталитичното изгаряне (пълно окисление) на природен газ, който е въглеводородна газова смес, състояща се предимно от метан, е обещаваща технология, която може да преобразува метана във въглероден диоксид при относително ниска температура и е широко изследва през последното десетилетие. Интересът към този процес възниква поради две причини: производство на електроенергия и намаляване на замърсяването на въздуха. Каталитичното изгаряне на метан се счита за привлекателна алтернатива на конвенционалното термично изгаряне за производство на енергия, за да се намалят нивата на емисии от парникови газове в атмосферата. Метанът е основен парников газ (ПГ), който представлява 14% от световното производство на общия размер на емисиите на парникови газове. Потенциалът за глобално затопляне (GWP) на метана е 21 пъти по-голям от този на въглеродния диоксид. Наличните технологии за ограничаване на емисиите от метан включват употребата на по-високоефективни горивни системи, както и термично и каталитично изгаряне. Основен недостатък на термичното изгаряне е високата температура, допълнителното добавяне на гориво и получаващите се азотни оксиди, които от своя страна също представляват екологичен проблем. В момента най-перспективно е каталитичното изгаряне, при което процесът се провежда в присъствие на катализатор при температури до 600 ^оС, което предотвратява получаването на азотни оксиди, а единствените продукти от реакцията са водни пари и въглероден диоксид.

Повечето от катализаторите, предназначени за пълно изгаряне на метан, са на основават на паладий – самостоятелно или в комбинация с различни метали или метални оксиди, нанесени върху алуминиев оксид. Смята се, че каталитично активните частици в реакцията са фино дисперсните PdO частици. Основен недостатък на паладиевите катализатори е дезактивирането им при висока температура в резултат на разлагане на PdO до Pd, който е по-слабо активен. Това налага търсенето на начин за стабилизиране на фазата PdO върху високотемпературен носител. Въпреки интензивна работа на учените в посока на повишаване на термична стабилност на катализатори на основата на паладий, все още не може да се говори, че е намерен достатъчно стабилен катализатор работещ при температури над 500^oC. Поради това, изследванията трябва да са в посока за по-нататъшното подобряване на каталитичната активност, което би позволило работа при по-ниски температури

Въпреки интензивната работа за подобряване на термичната стабилност на катализаторите на основата на паладий, стабилността все още е доста ограничена, особено при температури над 500^oC. Следователно трябва да се положат някои допълнителни усилия за по-нататъшно подобряване на каталитичната активност, като по този начин се позволи работа на каталитични реактори при по-ниски температури. Стабилността на паладиевия катализатор може да се подобри чрез добавяне на оксид на преходен метал към каталитично активният компонент паладий (най-обещаващите промотори са оксидите на Ni, Mn, Co), или посредством използването на подходящ носител. Зеолитите са един такъв тип носител поради тяхната специфична структура на порите, киселинни свойства, висока термична стабилност и способността за обмен на йони. През последните години вниманието на учените се фокусира върху използването на зеолити като носители на катализатори поради тяхната термична и хидротермична стабилност. Тези материали се характеризират с висока специфична повърхност, което е предпоставка за създаване на активни каталитични системи. Металите и металните оксиди могат да се нанасят върху тях като силно диспергирани наночастици и по този начин да се създадат активни каталитични системи, в които голям брой активни центрове са достъпни за реагентите. След десетилетия на слаб интерес, в последните години, катализаторите с насител зеолит, привлякоха вниманието. Настоящият проект е фокусиран върху приложението на наноструктурирани катализатори за важна индустриална и екологична реакция, каквато е каталитичното отстраняване на метан. За тази цел усилия на изследователите са насочени към придобиване на нови знания за разработването на ново поколение ефективни каталитични материали с предварително зададени свойства за споменатия по-горе процес. Каталитичните свойства зависят главно от дисперсията на активните частици, тяхната структура и тяхното взаимодействие с носителя. Специфичната структура на зеолитите и новите йерархични зеолити могат да осигурят висока дисперсност на активната фаза от една страна, и от друга – нови специфични реактивни места. Анализът на всички резултати, получени по време на изследването (влиянието на метода на получаване върху дисперсността на активния компонент и изследването на връзката между структурата и активността в новите каталитични материали) ще помогне за трансфер на знания и опит и ефективно сътрудничество с индустрията. Основната научна цел на проекта е да се разработят нови високоактивни и стабилни катализатори за изгаряне на метан чрез модифициране на зеолити (включително йерархични зеолити) с Pd и оксиди на преходни метали (NiO, Co₃O₄). Ще бъде направен цялостен и систематичен анализ на влиянието на структурата, вида и морфологията на порестия материал върху образуването на каталитично активни центрове и в резултат на активността, селективността и стабилността на каталитични системи.

Такива катализатори са от голям практически интерес, тъй като съчетават:

• Голяма повърхност, която благоприятства дисперсността на активните компоненти и предотвратява тяхното синтероване.
• Система от пори от йерархични зеолити, която благоприятства дифузията на реагентите към каталитично активните места.
• Наличие на йонообменни центрове, които могат доведат до формирането на различни каталитично активни центрова, в зависимост от целта на каталитичния акт.

Една от основните цели на предложения проект е да обедини усилията и компетенциите на изследователи от различни области с високо ниво на научни изследвания и да комбинира техните знания, експертиза и опит с наноматериали за разработване на нов и ефективен каталитичен процес за пълно окисление на метан.

Основната научна цел на проекта е да се разработят нови високоактивни и стабилни катализатори за изгаряне на метан чрез модифициране на зеолити (включително йерархични зеолити) с Pd и оксиди на преходни метали (NiO, Co₃O₄). Ще бъде направен цялостен и систематичен анализ за влиянието на структурата, вида и морфологията на порестия материал върху образуването на каталитично активни центрове и ефекта върху активността, селективността и стабилността на каталитични системи.

Една от основните цели на предложения проект е да обедини усилията и компетенциите на изследователи от различни области с високо ниво на научни изследвания и да комбинира техните знания, експертиза и опит по отношение на наноматериалите за разработване на нов и ефективен каталитичен процес за пълно окисление на метан