Russian Journal of Applied ChemistryRussian Journal of Applied ChemistryЖурнал прикладной химии0044-46183034-5545The Russian Academy of Sciences69816910.31857/S0044461825090072КатализResearch ArticleGIDRIROVANIE SO2 S ISPOL'ZOVANIEM Cu/Zn-KATALIZATOROV NA OSNOVE PORISTYKh AROMATIChESKIKh KARKASOVГИДРИРОВАНИЕ СО2 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ Cu/Zn-КАТАЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ ПОРИСТЫХ АРОМАТИЧЕСКИХ КАРКАСОВhttps://orcid.org/0000-0001-7750-7457MakeevaD. AМакееваД. А

химический факультет, к.х.н.

daria.makeeva@chemistry.msu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9297-4950MaksimovA. LМаксимовА. Л

д.х.н., проф., акад. РАН

daria.makeeva@chemistry.msu.ruМосковский государственный университет им. М. В. ЛомоносоваИнститут нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН151120259811-12VOL 98, NO11-12 (2025)ТОМ 98, №11-12 (2025)62763708122025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://ruspoj.com/0044-4618/article/view/698169

Углекислый газ представляет собой перспективный реагент для синтеза широкого круга ценных химических продуктов, в частности метанола. В настоящей работе впервые на основе как немодифицированных, так и модифицированных аминогруппами пористых ароматических каркасов синтезированы Cu/Zn-катализаторы для гидрирования CO2 в метанол. Рассмотрена взаимосвязь текстурных характеристик носителя и формирующихся в его структуре наночастиц активной фазы. Активность синтезированных в работе катализаторов исследована при 250°C и 40 атм (CO2/H2 = 1:3). Определен оптимальный состав катализатора, изучено влияние природы растворителя на его активность.

Углекислый газ представляет собой перспективный реагент для синтеза широкого круга ценных химических продуктов, в частности метанола. В настоящей работе впервые на основе как немодифицированных, так и модифицированных аминогруппами пористых ароматических каркасов синтезированы Cu/Zn-катализаторы для гидрирования CO2 в метанол. Рассмотрена взаимосвязь текстурных характеристик носителя и формирующихся в его структуре наночастиц активной фазы. Активность синтезированных в работе катализаторов исследована при 250°C и 40 атм (CO2/H2 = 1:3). Определен оптимальный состав катализатора, изучено влияние природы растворителя на его активность.

катализметанолуглекислый газгидрированиепористые ароматические каркасыИсследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 24-13-00242Агакама Н., Aresta M., Armor J. N., Barteau M. A., Beckman E. J., Bell A. T., Bereaw J. E., Creutz C., Dinjus E., Dixon D. A., Domen K., DuBois D. L., Eckert J., Fujita E., Gibson D. H., Goddard W. A., Goodman D. W., Keller J., Kubas G. J., Kung H. H., Lyons J. E., Manzer L. E., Marks T. J., Morokuma K., Nicholas K. M., Periana R., Que L., Rostrup-Nielson J., Sachtler W. M. H., Schmidt L. D., Sen A., Somorjai G. A., Stair P. C., Stults B. R., Tumas W. Catalysis research of relevance to carbon management: Progress, challenges, and opportunities // Chem. Rev. 2001. V. 101. N 4. P. 953–996. https://doi.org/10.1021/cr000018sBulushev D. A., Ross J. R. H. Heterogeneous catalysts for hydrogenation of CO2 and bicarbonates to formic acid and formates // Catal. Rev. Sci. Eng. 2018. V. 60. N 4. P. 566–593. https://doi.org/10.1080/01614940.2018.1476806Максимов А. Л., Беленкая И. П. Диоксид углерода и «метанольная» экономика: Достижения в каталитическом синтезе метанола из СО2 // Успехи химии. 2024. Т. 93. № 1. С. RCR5101. https://doi.org/10.59761/RCR5101Tedeeva M. A., Kustov A. L., Batkin A. M., Garifullina C., Zalyardinov A. A., Yang D., Dai Y., Yang Y., Kustov L. M. Catalytic systems for hydrogenation of CO2 to methanol // Mol. Catal. 2024. V. 566. P. 114403. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2024.114403Cui X., Kerr S. K. Thermodynamic analyses of a moderate-temperature process of carbon dioxide hydrogenation to methanol via reverse water-gas shift with in situ water removal // Ind. Eng. Chem. Res. 2019. V. 58. N 24. P. 10559–10569. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b01312Ortner N., Zhao D., Mena H., Weij B., Lund H., Bartling S., Wohlrab S., Armbruster U., Kondratenko E. V. Revealing origins of methanol selectivity loss in CO2 hydrogenation over CuZn-containing catalysts // ACS Catal. 2023. V. 13. N 1. P. 60–71. https://doi.org/10.1021/acscatal.2c04480Zhang Y., Zhong L., Wang H., Gao P., Li X., Xiao S., Ding G., Wei W., Sun Y. Catalytic performance of spray-dried Cu/ZnO/Al2O3/ZrO2 catalysts for slurry methanol synthesis from CO2 hydrogenation // J. CO2 Util. 2016. V. 15. P. 72–82. https://doi.org/10.1016/J.JCOU.2016.01.005Jiang Y., Yang H., Gao P., Li X., Zhang J., Liu H., Wang H., Wei W., Sun Y. Slurry methanol synthesis from CO2 hydrogenation over micro-spherical SiO2 support Cu/ZnO catalysts // J. CO2 Util. 2018. V. 26. P. 642–651. https://doi.org/10.1016/J.JCOU.2018.06.023Lee K. H., Lee J. S. Effects of catalyst composition on methanol synthesis from CO2/H2 // Korean J. Chem. Eng. 1995. V. 12. N 4. P. 460–465. https://doi.org/10.1007/BF02705811Singh R., Tripathi K., Pant K. K. Investigating the role of oxygen vacancies and basic site density in tuning methanol selectivity over Cu/CeO2 catalyst during CO2 hydrogenation // Fuel. 2021. V. 303. P. 121289. https://doi.org/10.1016/J.FUEL.2021.121289Belgamwar R., Verma R., Das T., Chakraborty S., Sarawade P., Polshettiwar V. Defects tune the strong metal-support interactions in copper supported on defected titanium dioxide catalysts for CO2 reduction // J. Am. Chem. Soc. 2023. V. 56. N 2. P. 274–278. https://doi.org/10.1021/jacs.3c01336Wang J., Zhang Y., Ma Y., Yin J., Wang Y., Fan Z. Electrocatalytic reduction of carbon dioxide to high-value multicarbon products with metal-organic frameworks and their derived materials // ACS Mater. Lett. 2022. V. 4. N 11. P. 2058–2079. https://doi.org/10.1021/acsmaterialstett.2c00751Wang C., Kosari M., Xi S., Zeng H. C. Uniform Si-infused UiO-66 as a robust catalyst host for efficient CO2 hydrogenation to methanol // Adv. Funct. Mater. 2023. V. 33. N 13. P. 109–118. https://doi.org/10.1002/adfm.202212478Zhou H., Chen Z., Lopez A. V., Lopez E. D., Lam E., Tsoukalou A., Willinger E., Kuznetsov D. A., Mance D., Kierzkowska A., Donat F., Abdala P. M., Comas-Vives A., Copéret C., Fedorov A., Müller C. R. Engineering the Cu/Mo2C–Tx (MXene) interface to drive CO2 hydrogenation to methanol // Nat. Catal. 2021. V. 4. N 10. P. 860–871. https://doi.org/10.1038/s41929-021-00684-0Tian Y., Zhu G. Porous aromatic frameworks (PAFs) // Chem. Rev. 2020. V. 120. N 16. P. 8934–8986. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00687Karakhanov E., Maximov A., Terenina M., Vinokurov V., Kulikov L., Makeeva D., Glotov A. Selective hydrogenation of terminal alkynes over palladium nanoparticles within the pores of amino-modified porous aromatic frameworks // Catal. Today. 2020. V. 357. P. 176–184. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2019.05.028Kulikov L., Dubniuk A., Makeeva D., Egazaryanis S., Maximov A., Karakhanov E. Ruthenium catalysts based on porous aromatic frameworks synthesized by modified impregnation methods for hydrogenation of levulinic acid and its esters // Mater. Today Sustain. 2024. V. 25. P. 100637. https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2023.100637Hei Z.-H., Huang M.-H., Luo Y., Wang Y. A well-defined nitro-functionalized aromatic framework (NO2-PAF-1) with high CO2 adsorption: Synthesis via the copper-mediated Ullmann homo-coupling polymerization of a nitro-containing monomer // Polym. Chem. 2016. V. 7. N 4. P. 770–774. https://doi.org/10.1039/CSPY016826Makeeva D., Kulikov L., Zolonikhina A., Maximov A., Karakhanov E. Functionalization strategy influences the porosity of amino-containing porous aromatic frameworks and the hydrogenation activity of palladium catalysts synthesized on their basis // Mol. Catal. 2022. V. 517. P. 112012. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2021.112012Makeeva D. A., Kulikov L. A., Oskina E. D., Uvarov O. V., Maximov A. L., Karakhanov E. A. Palladium catalysts based on nitrogen-containing porous aromatic frameworks for hydrogenation of unsaturated compounds // Petrol. Chem. 2022. V. 62. N 10. P. 1183–1194. https://doi.org/10.1134/S0965544122090092Bazhenova M., Kulikov L. A., Bolnykh Y. S., Maksimov A. L., Karakhanov E. A. Palladium catalysts based on porous aromatic frameworks for vanillin hydrogenation: Tuning the activity and selectivity by introducing functional groups // Catal. Commun. 2022. V. 170. P. 106486. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2022.106486Heldebrandt D. J., Koech P. K., Glezakou V.-A., Rousseau R., Malhotra D., Cantu D. C. Water-lean solvents for post-combustion CO2 capture: Fundamentals, uncertainties, opportunities, and outlook // Chem. Rev. 2017. V. 117. N 14. P. 9594–9624. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00768Alenazi M. H., Helal A., Khan M. Y., Khalil A., Khan A., Usman M., Zahir M. H. Covalent organic frameworks (COFs) for CO2 utilizations // Carbon Capture Sci. Technol. 2025. V. 14. N January. P. 100365. https://doi.org/10.1016/j.ccst.2025.100365Thommes M., Kaneko K., Neimark A. V., Olivier J. P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., Sing K. S. W. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report) // Pure Appl. Chem. 2015. V. 87. N 9–10. P. 1051–1069. https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117Kothandaraman J., Heldebrant D. J. Towards environmentally benign capture and conversion: Heterogeneous metal catalyzed CO2 hydrogenation in CO2 capture solvents // Green Chem. 2020. V. 22. N 3. P. 828–834. https://doi.org/10.1039/c9ge03449h