​Сотрудники лабораторий НГУ и Института катализа им. Г. К. Борескова представили результаты исследования аналитического метода катализа на металл-органических каркасах. Новый метод сочетает уже используемые методики с молекулами-зондами и твердотельную ядерную магнитно-резонансную спектроскопию.


Это позволяет с высокой селективностью определять параметры активных каталитических центров каркаса на молекулярном уровне: например, молекулярная динамика зондов дает возможность отследить строение различных активных центров в катализаторе, наличие стерических ограничений для молекул-реагентов, а также концентрацию свободных молекул, термодинамику и скорость процесса обмена между связанным и свободным состоянием частиц внутри поры каркаса.

— Некоторые из новых материалов на основе металл-органических каркасов уникальны потому, что представляют собой материалы с хорошо определенными активными каталитическими центрами — с точки зрения концепции «Single site catalyst» данные каркасы выступают в качестве идеальной платформы для катализа. Они имеют регулярную структуру с отдельными хорошо определенными центрами и поэтому доступны для характеристики и прогнозирования. Мы исследуем катализатор MIL-100 — он отличается тем, что у него есть открытые металлические координационные центры. Эти центры выступают в роли катализаторов в ряде важных реакций, в первую очередь реакций окисления углеводородов. Это широкий класс реакций, применяющийся в том числе для задач тонкого органического синтеза, например, для создания лекарств, — рассказал старший научный сотрудник лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Физического факультета НГУ и ИК СО РАН Даниил Колоколов.

Ключевой фактор использования каркаса — это возможность существования структуры с разными металлами, такими как алюминий, хром, железо и другими. Следовательно, разновидности этого каркаса будут иметь разную каталитическую активность вследствие разной электронной структуры метала. Сейчас ученые работают над вопросом характеризации активных центров: это необходимо для того, чтобы исследовать механизмы реакций и делать прогнозы, как они будут вести себя в случае с другими типами реагентов.

Существует ряд методов для исследования металл-органических структур с разными типами активных центров. Один из методов предполагает тестовые реакции, другой — характеристику электронной структуры металла и его взаимодействия с гостевыми молекулами. Проблема заключается в том, что при наличии огромного количества металлов и реагентов создавать сравнительные таблицы очень сложно. Такая задача требует очень много времени, но в промышленности и фармакологии эти данные нужны уже сейчас.

 

jmm.png  

Рисунок 1. Спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на ядрах дейтерия позволяет однозначно определить координацию молекулы зонда кислотности, пиридина-d5, с различными каталитическим центрами в каркасе MIL-100, а также измерить распределение молекул-зондов в пористой матрице и их подвижность

— Так как существует актуальная потребность в методах исследования этих структур, мы решили применить метод твердотельной ядерной магнитно-резонансной спектроскопии — это хорошо изученная методика, которая развивалась в рамках новосибирского научного центра долгие годы. Мы сочетали идею использовать молекулу-зонд, которая будет выступать индикатором кислотности, и при помощи спектроскопии исследовали ее отклик. В результате нам удалось доказать, что мы видим не только разные типы активных центров в одном каркасе, но и отслеживаем координацию молекулы. Также мы смогли отметить относительную концентрацию свободных молекул в порах и термодинамику процесса — численно показать его энергию. Это уникальные данные, поскольку обычно ученым доступны данные относительно общей теплоты адсорбции. Кроме того, мы выяснили, какова скорость молекулярного транспорта зондов, модельных реагентов между активными центрами, — объяснил преимущества метода спектроскопии Даниил Колоколов. По словам исследователя, метод на основе спектроскопии позволяет получить очень подробное описание происходящих в каркасе процессов и может быть распространен на другие микропористые катализаторы.

 

Работа в данном направлении была поддержана в рамках гранта РФФИ (грант № 18-29-04009).

На фото — Даниил Колоколов и аспирант НГУ, младший научный сотрудник лаборатории в НГУ и в ИК СО РАН Александр Художитков, который занимается экспериментальной работой по получению данных методом 2Н ЯМР спектроскопии твердого тела, а также численной обработкой полученных данных, для определения характера молекулярной подвижности в пористых средах, катализаторах и других новых функциональных материалах. Также аспирант занят численными расчетами подвижности методами молекулярной динамики (MD).

Похожие новости

  • 11/03/2019

    Исследования новосибирских ученых попали на обложку международного кристаллографического журнала

    ​Публикация посвящена исследованию кристаллических структур двух соединений при варьировании температуры: молекулярной соли и смешанного кристалла в системе β-аланина и DL-винной кислоты, имеющих одинаковый стехиометрический состав 1:1, но различную кристаллическую структуру.
    696
  • 10/04/2019

    Российские ученые нашли лучший катализатор для добычи энергии из отходов

    Российские ученые определили состав катализатора, наиболее эффективно ускоряющего процесс экологически чистого получения энергии из отходов, результаты работы, которые могут найти практическое применение в промышленности, опубликованы в престижном международном журнале Catalysis Letters.
    731
  • 08/12/2016

    Новосибирские химики производят уникальные композитные материалы для сжигания топлива

    ​Специалисты Новосибирского государственного университета и институтов СО РАН создают керамометаллические композитные матрицы на основе порошка алюминия, его оксида и сплавов. Эти уже успешно испытанные материалы обладают уникальными характеристиками, в частности, высокой теплопроводностью, и используются для структурированных катализаторов процессов сжигания и трансформации топлив.
    2613
  • 30/08/2019

    Петр Корусенко: наша команда изучает наноматериалы с применением метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

    ​Ландау, Сахаров, Капица, Курчатов – эти имена русских физиков известны не только в России, их исследования признаны во всем мире. В российские времена эта наука развивается не так бурно, однако нам и сейчас есть чем гордиться.
    640
  • 14/12/2018

    Новосибирские ученые помогли реализовать новый принцип молекулярного дизайна микропористых сред

    ​Ученые лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Физического факультета НГУ и Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН исследовали материал для селективной абсорбции токсичных газов и смогли составить детальную характеристику компонентов, составляющих «молекулярное сито».
    839
  • 29/04/2019

    Команда российских ученых выдвинула гипотезу о существовании жизни на Венере

    Ученые из Института космических исследований РАН, Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН и НГУ выдвинули гипотезу о существовании жизни на Венере. К таким выводам исследователей привела новая обработка панорамных изображений поверхности Венеры, полученных советскими аппаратами «Венера-9», «Венера-10», «Венера-13» и «Венера-14» в 1975—1982 годах.
    889
  • 01/12/2016

    Новосибирские учёные создали энергосберегающие сорбенты нового типа

    ​Учёные из НГУ и Института катализа СО РАН разработали энергосберегающий сорбент на основе вспученного вермикулита (минерала, использующегося для выращивания растений на гидропонике), модифицированного хлоридом лития.
    2102
  • 20/11/2018

    Новосибирские ученые совершили открытие в водородной энергетике

    ​Ученые лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Физического факультета НГУ и Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН подробно изучили устройство протонно-обменной мембраны — главной части топливной электрохимической ячейки — и смогли выяснить, как улучшить ее проводимость.
    734
  • 13/03/2017

    Центр энергоэффективного катализа НГУ как воплощение идеи интеграции НГУ и ИК СО РАН

    Научно-образовательный центр энергоэффективного катализа (НОЦ ЭК), созданный Институтом катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Новосибирским государственным университетом при финансовой поддержке Фонда «Сколково», за три года функционирования показал выдающиеся результаты.
    1522
  • 24/03/2017

    Новосибирские и британские учёные разработали новый класс микропористых материалов

    Международная группа ученых из лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Новосибирского государственного университета, Института катализа СО РАН, Института неогранической химии СО РАН и Манчестерского университета разработала новый вид микропористых материалов — металл-органических каркасов, основанный на принципах направленного молекулярного дизайна.
    1554