Материаловедение в катализе

Материалы курса разработаны сотрудниками научно-исследовательской лаборатории “Неорганические наноматериалы” под руководством к.ф-м.н., профессора, директора центра материаловедения Квинслендского технологического университета (Брисбен, Австралия)  Гольберга Д.В. 

В рамках курса слушатели смогут узнать о подходах к разработке, изучению структуры и свойств новых материалов для применения в катализе, о работе высокотемпературных реакторов, методах синтеза керамических подложек и гетерогенных наноматериалов на их основе. Также авторы курса расскажут об основных понятиях в катализе, механизмах каталитических процессов, о возможностях и ограничениях методов изучения структуры и свойств материалов.

Присоединяйтесь к Telegram-каналу Онлайн-курсы НИТУ МИСИС или пишите на openedu@misis.ru. Мы ответим на все ваши вопросы.

В состав курса входят видеолекции продолжительностью 6-10 минут, включающие 2–3 вопроса на самопроверку усвоения теоретического материала. Каждый раздел завершается тестом из 10-15 вопросов на проверку понимания материала. В конце изучения курса слушатели проходят итоговое тестирование.

1. Физическая химия: Учебник для вузов Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Издательство: Металлургия ISBN: 5-229-01256-0
2. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б. Н. Арзамасов,И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др.; Под общ.ред. Б. Н. Арзамасова.—2-е изд., испр. и доп.—М.: Машиностроение
3. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. Уманский Я. С., Скаков Ю. А., Иванова Н., Расторгуев Л. Н. М.: Металлургия

Курс состоит из 5 разделов. Общая продолжительность изучения материалов – 5 недель. 

Раздел 1. Общая информация о каталитических процессах.
Урок 1. Общая информация о каталитических процессах. Роль катализа в жизни, технике и промышленности.
Урок 2. Виды и типы каталитических реакций и области их применения. Гомогенный и гетерогенный катализ. Катализаторы гидрирования и оксиления. Понятие модельных реакций и их промышленная адаптация.
Урок 3. Основные понятия, применяемые в катализе. Активность, селективность, стабильность.
Урок 4. Хемосорбция. Механизм Лангмюра-Хиншельвуда.
Урок 5. Механизм Элея-Райдла. Механизм Марса-ван Кревелина.
Урок 6. Кислотно-основной катализ. Принцип энергетического соответствия Баландина.

Раздел 2. Материалы для гетерогенного катализа.
Урок 1. Материалы, применяемые в катализе. Носитель и каталитический агент.
Урок 2. Группа переходных металлов. Оксиды и карбиды.
Урок 3. Гетерогенные металлоорганические катализаторы. Катализ сульфидами.
Урок 4. Классификация каталитических реакторов, их виды и режимы работы (Часть 1, 2).
Урок 5. Способы определения состава реакционной смеси: хроматография, масс-спектрометрия, оптическая спектроскопия (Часть 1, 2).
Урок 6. Применение термопрограммируемых методов для анализа катализаторов.

Раздел 3. Методы синтеза гетерогенных наноструктурных катализаторов.
Урок 1. Носители гетерогенных катализаторов. Особенности и требования к получаемым материалам.
Урок 2. Материалы, применяемые в настоящее время в качестве носителей катализаторов.
Урок 3. Разработка перспективных носителей гетерогенных катализаторов.
Урок 4. Высокотемпературный синтез гетерогенных катализаторов.
Урок 5. Низкотемпературный синтез гетерогенных катализаторов.
Урок 6. Зависимость структуры гетерогенных катализаторов и их каталитической активности от условий синтеза.

Раздел 4. Методы изучения состава и структуры гетерогенных катализаторов.
Урок 1. Метод рентгенофазового анализа для изучения структуры и фазового состава гетерогенных катализаторов.
Урок 2. Метод энергодисперсионной спектроскопии для изучения элементного состава поверхности гетерогенных катализаторов.
Урок 3. Метод масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой для изучения элементного состава гетерогенных катализаторов.
Урок 4. Метод оптической спектроскопии для изучения концентрации и среднего размера наночастиц каталитически активных элементов в водных растворах.
Урок 5. Метод сканирующей электронной микроскопии для изучения структуры и морфологии поверхности гетерогенных катализаторов.
Урок 6. Метод просвечивающей электронной микроскопии для изучения структуры и морфологии наноразмерных гетерогенных катализаторов.

Раздел 5. Методы изучения поверхности гетерогенных катализаторов.
Урок 1. Введение в рентгенофотоэлектронную спектроскопию (РФЭС): возбуждение и рекомбинация атомов, излучательные и безызлучательные переходы, фотоэлектроны и Оже-электроны. Фотоэлектронный спектр, тонкая структура спектров РФЭС (мультиплетное расщепление, пики плазмонных потерь, «ложные» пики). Химический сдвиг фотоэлектронных линий.
Урок 2. Методика анализа спектров в методе РФЭС, обработка спектров (сглаживание, вычитание фона, аппроксимация функциями Гаусса и Лоренца, разностные спектры, дифференцирование спектров).
Урок 3. Определение концентрации элементов. Послойный анализ, ионное распыление и его особенности.
Урок 4. Метод инфракрасной спектроскопии.
Урок 5. Метод спектроскопии комбинационного рассеяния света.
Урок 6. Атомно-силовая микроскопия.

В результате обучения у слушателей формируются следующие компетенции:
1. Базовое представление о научных проблемах на стыке материаловедения и катализа, что позволяет самостоятельно ориентироваться в тематической научной литературе начального уровня;
2. Умение работать с научным оборудованием для синтеза и изучения наноструктурных материалов;
3. Базовое представление о практических возможностях современных методов изучения наноструктурных материалов, что расширяет их возможности по планированию и проведению собственных научных исследований в рамках выпускных квалификационных работ.

УК-1 Фундаментальные знания. Способен демонстрировать глубокое знание и понимание фундаментальных наук, а также знания в междисциплинарных областях профессиональной деятельности

УК-2 Системный анализ. Способен:
- анализировать продукцию, процессы и системы в рамках широких междисциплинарных областей;
- ставить и решать нестандартные задачи в условиях неопределенности и альтернативных решений с использованием соответствующих аналитических, вычислительных и экспериментальных методов, а также новых инновационных методов;
- осуществлять критический анализ проблемных ситуаций на основе системного подхода, вырабатывать стратегию действий