Projekti / Programi
Multidisciplinarni pristop k razvoju novega, večfunkcijskega heterogenega katalizatorja za učinkovito pretvorbo H2 in CO2 plinskih mešanic v dodatke gorivom in nadomestke
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.00 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T350 |
Tehnološke vede |
Kemijska tehnologija in inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.04 |
Tehniške in tehnološke vede |
Kemijsko inženirstvo |
heterogena kataliza, nanostrukturirani katalizatorji, kinetika in mehanizmi, računalniško modeliranje, dodatki gorivom, metanol, višji alkoholi
Raziskovalci (12)
Organizacije (2)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.997 |
| 2. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.742 |
Povzetek
Glede na dejstva, da se zaloge fosilnih goriv hitro zmanjšujejo, hkrati pa smo priča naraščajočim potrebam po energiji in gorivih, je očitno, da moramo zmanjšati našo odvisnost od fosilnih goriv ter emisije toplogrednih plinov (CO2, CH4, N2O, itn.), s tem da postopno preidemo na uporabo obnovljivih virov energije, biogoriv in odpadkov. Razvoj ustreznega heterogenega katalizatorja, ki bo aktivno in selektivno pretvarjal mešanice CO2 in H2 v metanol, ali v obliki tekočega dodatka gorivu ali nadomestka, lahko pomembno prispeva k bolj razširjenemu in obsežnemu izkoriščanju CO2.
Glavni cilj predlaganega temeljnega raziskovalnega projekta je razviti katalizator na osnovi prehodnih kovin, ki bo vseboval ustrezna aktivna mesta za neposredno pretvorbo CO2 in H2 v metanol (CH3OH) s produktivnostjo najmanj 2000 g metanola/(kgcat h) pri tlaku 50 bar. Pričakovana selektivnost za metanol je nad 75 % pri pretvorbi 10 % CO2.
Za učinkovito izvedbo katalitske neposredne pretvorbe CO2 v metanol bomo sintetizirali večfunkcijske mezoporozne katalizatorje z visoko BET specifično površino ter posledično izpostavili največje število aktivnih mest na površini, tako da bomo uporabili napredne postopke za pripravo katalizatorjev. Sinteza teh trdnih materialov bo temeljila na aktivnih fazah Cu in ZnO, ki jih bomo dopirali s prehodnimi kovinami, kot je železo (Fe), ali redkimi zemeljskimi elementi, kot sta indij (In) in galij (Ga). Vloga reducirnih oksifilnih redkih zemeljskih elementov bo stabilizacija delno hidrogeniranih CO2Hx intermediatov, ki so ključni za visoko selektivnost metanola. Prav tako bosta morfologija in kemijska sestava katalizatorja prilagojeni zmanjševanju vzporedne reakcije reforminga metanola (CH3OH+H2O → CO2+3H2), ki povzroča izgubo CH3OH. Sintetiziranim vzorcem katalizatorja bomo podrobno določili lastnosti z različnimi inštrumentalnimi karakterizacijskimi tehnikami. Prav tako bomo za optimiranje sestave in lastnosti površine katalizatorja ter podrobnega raziskovanja mehanizma reakcije uporabili in situ in operando spektroskopske tehnike.
Aktivnost in selektivnost sintetiziranih katalizatorjev v procesu neposredne pretvorbe CO2 v metanol bomo preučevali v laboratorijskem cevnem kvarčnem reaktorju s strnjenim slojem v širokem spektru obratovalnih pogojev (180-300°C, 10-80 bar, WHSV 40-400 L/(gcat h), sistematično spreminjanje koncentracij H2 in CO2). Tako bomo pridobili podrobne podatke o kinetiki za raziskovano reakcijo in izolirali najustreznejšo formulacijo katalizatorja. Poudarek bo na raziskovanju in določanju kvantitativnih strukturno-aktivnostnih in strukturno-selektivnostnih odvisnosti (QSAR) za izbrane vzorce katalizatorjev. Na koncu bomo izvedli dolgoročne stabilnostne poskuse za optimalne sestave katalizatorja.
Za preučevanje načinov aktivacije H2 in CO2 na katalizatorjih kot funkcije geometrije aktivnega mesta, prisotnosti prehodnih kovin ali redkih zemeljskih elementov bomo uporabili teoretski DFT računski pristop. Prav tako bomo analizirali reakcijske intermediate in energijske bariere za posamezne korake reakcije. Te informacije bodo v pomoč pri dokazovanju ugotovitev poskusov ali za določanje možnih kinetičnih ozkih grl in njihovega izboljšanja s kemijskimi spremembami katalizatorja.
Pripravili bomo obsežno dokumentacijo, ki bo v prihodnosti omogočala načrtovanje pilotnega reaktorskega sistema za proizvodnjo 1 g metanola/min (ki ustreza volumskemu napajalnemu toku ogljikovega dioksida, enakemu približno 10 L/min, za doseganje ciljne konverzije in selektivnosti).
Pomen za razvoj znanosti
Znanje, s katerim v tem trenutku razpolagamo na področju heterogeno katalizirane sinteze metanola iz vodika in ogljikovega dioksida, je pomanjkljivo, še zlasti, kar se tiče sinteze takšnih heterogenih katalizatorjev, ki bi omogočali učinkovito (aktivno in selektivno) kemijsko pretvorbo reaktantov v produkt. To znanje bomo obogatili ter na podlagi literaturnih podatkov in še zlasti na podlagi spoznanj in izkušenj, pridobljenih z realizacijo predloženega temeljnega raziskovalnega projekta, sintetizirali takšne heterogene katalizatorje, ki bodo omogočali učinkovito in ekonomsko sprejemljivo vodenje katalitske pretvorbe vodika in ogljikovega dioksida v metanol.
Vsebina predlaganega temeljnega raziskovalnega projekta je izvirna na naslednjih področjih: (1) sintetizirani in testirani bodo novi ter napredni katalitski materiali, ki bodo omogočali učinkovito (aktivno in selektivno) kemijsko pretvorbo vodika in ogljikovega dioksida v metanol; (2) končni produkt bo imel ustrezne lastnosti za neposredno uporabo v široki potrošnji; (3) reaktorski sistem za katalitsko pretvorbo vodika in ogljikovega dioksida v metanol bo načrtovan glede na predhodno izolirani optimalni katalizator.
Na področju katalitske pretvorbe vodika in ogljikovega dioksida v metanol bomo občutno razširili zakladnico znanja, in sicer glede načrtovanja ustreznih katalizatorjev kot tudi njihove učinkovite uporabe v realnem procesu. S tem bomo nedvomno nadgradili tudi obstoječa znanja kemijsko-inženirske discipline. Spoznanja, pridobljena med izvajanjem predlaganega temeljnega raziskovalnega projekta, bodo rezultirala v veliko učinkovitejše in enostavnejše izrabljanje ogljikovega dioksida iz različnih virov, kateri so danes v veliki meri zapostavljeni in zelo neučinkovito izrabljeni.
Poglavitni način za diseminacijo rezultatov bodo predstavljale znanstvene objave v vodilni mednarodni periodiki, namenjeni energetiki, katalizi in kemijskemu inženirstvu, v patentni literaturi, predstavitve rezultatov raziskav na domačih in mednarodnih znanstvenih srečanjih ter zapisi v mednarodnih bazah podatkov. Z namenom predstavitve prednosti projekta tako ključnim deležnikom na področju katalize, kot ciljnim skupinam in širši javnosti, se bomo posluževali uporabe različnih komunikacijskih orodij, kot so priprava digitalnih brošur in redno posodabljanje internetne strani.
Predlog projekta je v celoti usklajen s Strategijo pametne specializacije (S4), ki ga je Vlada Republike Slovenije sprejela 20. 9. 2015. Cilji S4 so krepitev konkurenčnosti gospodarstva s krepitvijo inovacijske zmogljivosti, raznolikost obstoječih industrij in storitvene dejavnosti in rast povečanje novih in hitro rastočih panog in podjetij. Predlog z jasnim poudarkom na naprednih materialih bo idealen za sodelovanje raziskovalne skupnosti z industrijskim okoljem.
Pomen za razvoj Slovenije
Currently available knowledge in the field of catalytic transformation of carbon dioxide and hydrogen to methanol is deficient, especially in terms of synthesis of such heterogeneous catalysts, which would enable efficient (i.e. active and selective) synthesis of the product from reactants. This knowledge will be enriched on the basis of literature data and in particular on the basis of knowledge and experience gained through the realization of proposed basic research project. Within the scope of this project we will synthesize an advanced and multifunctional heterogeneous catalyst, which will enable long-term operation of reactor units and thus to effectively and economically conduct catalytic transformation of carbon dioxide and hydrogen to methanol as a fuel additive.
The content of the proposed basic research project is original in the following areas: (1) novel and advanced catalytic materials will be synthesized and tested that will allow efficient (active and selective) hydrogenation of carbon dioxide to methanol; (2) the final product (developed catalyst) will have the appropriate characteristics for a direct use; (3) the reactor system for catalytic transformation of carbon dioxide and hydrogen to methanol will be designed accordingly to the previously isolated optimal catalyst. In the field of catalytic transformation of carbon dioxide and hydrogen to methanol we will significantly expand body of knowledge, regarding the design of appropriate catalysts and their effective application in the real process. Subsequently, this will certainly upgrade the existing knowledge of chemical engineering discipline, too. Knowledge gained during the implementation of the proposed basic research project, will enable much simpler and more efficient exploitation of carbon dioxide from various sources, which are now largely ignored and exploited very inefficiently.
The principal method of disseminating the results will be through published papers in leading refereed international journals devoted to energy, catalysis and chemical engineering as well as in patent literature. The mechanism by which transfer of knowledge will take place involves presentations at national and international conferences and contributions to databases. To illustrate the benefits of the project to key stakeholders in the field of catalysis, other target groups and to the general public, we will take advantage of different communication tools, such as preparation of digital brochures and regular updating of webpage.
The project proposal is fully aligned with the Slovenia’s Smart Specialisation Strategy (S4), adopted by the Government of Slovenia on 20.. 9. 2015. Aims of S4 are to strengthen the competitiveness of the economy by enhancing its innovation capacity, diversify existing industries and service activities and boost growth of new and fast growing industries and enterprises. The proposal with a clear focus on advanced materials will be an ideal partner to bridge the research community with industrial environment.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
