​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
  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    467
  • 06/12/2019

    Как импортозамещение влияет на состояние рынка

    ​Импортозамещение положительно влияет на состояние рынка. Министр промышленности, торговли и развития предпринимательства Новосибирской области Андрей Гончаров рассказал о региональной программе содействия импортозамещению в экономике.
    149
  • 29/03/2016

    В ИХКГ СО РАН создали аппарат, который даст характеристику клеткам крови

    ​Ученые Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН создали самый точный в мире аппарат для анализа клеток крови, по результатам которого можно оценить, например, риск преждевременных родов.
    2760
  • 21/07/2017

    Новосибирские ученые нашли способ улучшить работу очистителей воздуха

    Ученые НГУ выиграли грант Российского научного фонда (РНФ). Разработка ученых поможет решить фундаментальные научные задачи, а также улучшить работу бытовых и профессиональных очистителей воздуха. Тема работы новосибирских ученых — «Фото- и терморазложение металлокомплексов как способ формирования наночастиц металлов и биметаллических структур на поверхности фотокаталитически активных материалов».
    1566
  • 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.
    1523
  • 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.
    735
  • 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».
    840
  • 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
  • 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