В обзоре описан процесс метанирования (селективного гидрирования оксидов углерода). и выделена его значимость для экологически чистой и распределенной энергетики. Оценены преимущества катализаторов на основе углеродных материалов с точки зрения подходов зеленой химии и недостатки катализаторов на оксидных подложках. Рассмотрены катализаторы на основе углеродных нанотрубок, нановолокон и производных биомассы. Выделены направления исследования для внедрения катализаторов на основе углеродных материалов в процессе селективного гидрирования оксидов углерода. Сделан вывод о перспективе катализаторов для процессов метанирования на основе производных биомассы.
Идентификаторы и классификаторы
Реалии современного мира диктуют бережное отношение к окружающему миру. По этой причине возникает острая необходимость внедрения принципов зелёной химии в научно-технический прогресс.
Список литературы
- Mohanty A., Viet C. D., Roger A. C, Adam A., Mertz D., Baaziz W., Janowska I. Structural impact of carbon nanofibers/few-layer-graphene substrate decorated with Ni for CO–methanation via inductive heating // Appl Catal B. Elsevier. 2021. V. 298. P. 120589. https://doi.org/10.1016/J.APCATB.2021.120589
- Куликова М. В., Крылова А. Ю., Жагфаров Ф. Г., Кры- санова К. О. Животная биомасса как сырье для производства продуктов основного органического синтеза // Химия и технология топлив и масел. 2022. Т. 630. № 2. С. 46–50. https://doi.org/10.32935/0023-1169-2022-630-2-46-50 [Kulikova M. V., Krylova A. Yu., Zhagfarov F. G., Krysanova K. O. Animal biomass as a raw material for obtaining products of basic organic synthesis the review considers biomass of // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2022. V. 630. N 2. P. 46–50.
https://doi.org/10.32935/0023-1169-2022-630-2-46-50]. - Куликова М. В., Крылова А. Ю., Жагфаров Ф. Г., Крысанова К. О. Растительнаяя биомасса как сырье для производства продуктов основного органического синтеза // Химия и технология топлив и масел. 2022. Т. 629. № 1. С. 50–56. https://doi.org/10.32935/0023-1169-2022-629-1-50-56 [Kulikova M. V., Krylova A. Yu., Zhagfarov F. G., Krysanova K. O., Lapidus A. L. Plant biomass as a raw material for obtaining products of basic organic synthesis // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2022. V. 629. N 1. P. 50–56. https://doi.org/10.32935/0023-1169-2022-629-1-50-56].
- Kristiani A., Takeishi K. CO2 methanation over nickelbased catalyst supported on yttria-stabilized zirconia // Catal Commun. Elsevier. 2022. V. 165. P. 106435. https:// doi.org/10.1016/J.CATCOM.2022.106435
- Zhang W., Liu Y., Dong Y., Hao Y., Chen L., Li J., Zeng S., Wang H. Ceria engineering in nickel catalysts to improve CH4 selectivity and yield for CO methanation // Appl Surf
Sci. North-Holland. 2022. V. 598. P. 153802. https://doi.org/10.1016/J.APSUSC.2022.153802 - Zhang Y., Chen Y., Liu Q. Green synthesis of MCM- 41 derived from renewable biomass and construction of VOx-modified nickel phyllosilicate catalyst for CO2 methanation // Int J Hydrogen Energy. Pergamon. 2021. V. 46. N 63. P. 32003–32016. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2021.06.209
- Summa P., Świrk K., Wang Y., Samojeden B., Rønning M., Hu C., Motak M., da Costa P. Effect of cobalt promotion on hydrotalcite-derived nickel catalyst for CO/ methanation // Appl Mater Today. Elsevier. 2021. V. 25. P. 101211. https://doi.org/10.1016/J.APMT.2021.101211
- Liu Q., Bian B., Fan J., Yang J. Cobalt doped Ni based ordered mesoporous catalysts for CO2 methanation with enhanced catalytic performance // Int. J. Hydrogen Energy. Pergamon. 2018. V. 43. N 10. P. 4893–4901. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2018.01.132
- Li Y. T., Zhou L., Cui W. G., Li Z. F., Li W., Hu T. L. Iron promoted MOF-derived carbon encapsulated NiFe alloy nanoparticles core-shell catalyst for CO2 methanation // J. of CO2 Utilization. Elsevier. 2022. V. 62. P. 102093. https://doi.org/10.1016/J.JCOU.2022.102093
- Gómez L., Martínez I., Navarro M. V., García T., Murillo R. Sorption-enhanced CO and CO2 methanation (SEM) for the production of high purity methane // Chem. Engineering J.. Elsevier. 2022. V. 440. P. 135842. https://doi.org/10.1016/J.CEJ.2022.135842
- Gonçalves L. P. L., Meledina M., Meledin A, Petrovykh D. Y., Sousa J. P. S., Soares O. S. G. P.,
Kolen’ko Y. V., Pereira M. F. R. Understanding the importance of N-doping for CNT-supported Ni catalysts for CO2 methanation // Carbon N Y. Pergamon. 2022.
V. 195. P. 35–43. https://doi.org/10.1016/J.CARBON.2022.03.059 - Popandopulo M. V., Ivantsov M. I., Kulikova M. V., Zhagfarov F. G. Hydrogenation of Carbon Monoxide on Composite Catalytic Systems Based on Nickel and Polyvinyl Alcohol // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. TUMA GROUP. 2022. V. 629. N 1. P. 29–33.
https://doi.org/10.32935/0023-1169-2022-629-1-29-33 - Chen A. A., Kaminsky M., Geoffroy G. L., Vannice M. A. CO hydrogenation over carbon-supported iron-cobalt and potassium-iron-cobalt carbonyl cluster-derived catalysts // J. of Physical Chemistry. Am. Chem. Soc. 1986. V. 90. N 20. P. 4810–4819. https://doi.org/10.1021/ J100411A020/ASSET/J100411A020.FP.PNG_V03
- Liu J., Chen Y., Wei J., Duyar M. S., Ordomsky V. Y., Khodakov A. Y. Carbon-based catalysts for Fischer–Tropsch synthesis † // Chem. Soc. Rev. V. 50. P. 2337. https://doi.org/10.1039/d0cs00905a
- de Volder M. F. L, Tawfick S. H., Baughman R. H., Hart A. J. Carbon nanotubes: Present and future commercial applications // Science (1979). American V. 339. N 6119. P. 535–539. https://doi.org/10.1126/ SCIENCE.1222453/SUPPL_FILE/DEVOLDER. SM.PDF
- Gao X., Liu G., Wei Q., Yang G., Masaki M., Peng X., Yang R., Tsubaki N. Carbon nanofibers decorated SiC foam monoliths as the support of anti-sintering Ni catalyst for methane dry reforming // Int. J. Hydrogen Energy. Pergamon. 2017. V. 42. N 26. P. 16547–16556. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2017.05.164
- Zacharopoulou V., Lemonidou A. A. Olefins from biomass intermediates: A Review // Catalysts. 2018. V. 8. Page 2. Multidisciplinary Digital Publishing Institute.
- V. 8. N 1. P. 2. https://doi.org/10.3390/CATAL8010002
- Yan Q., Street J., Yu F. Synthesis of carbon-encapsulated iron nanoparticles from wood derived sugars by hydrothermal carbonization (HTC) and their application to convert bio-syngas into liquid hydrocarbons // Biomass Bioenergy. Pergamon. 2015. V. 83. P. 85–95. https://doi.org/10.1016/J.BIOMBIOE.2015.09.002
- Almkhelfe H., Li X., Thapa P., Hohn K. L., Amama P. B. Carbon nanotube-supported catalysts prepared by a modified photo-Fenton process for Fischer– Tropsch synthesis // J. Catal. Academic Press. 2018. V. 361. P. 278–289. https://doi.org/10.1016/J.JCAT.2018.02.009
- Chernyak S. A., Ivanov A. S., Maksimov S. V., Maslakov K. I., Isaikina O. Y., Chernavskii P. A.,
Kazantsev R. V., Eliseev O. L., Savilov S. S. Fischer– Tropsch synthesis over carbon-encapsulated cobalt and iron nanoparticles embedded in 3D-framework of carbon nanotubes // J. Catal. Academic Press. 2020. V. 389. P. 270–284. https://doi.org/10.1016/J.JCAT.2020.06.011 - Chew L.M., Xia W., Düdder H., Weide P., Ruland H., Muhler M. On the role of the stability of functional groups in multi-walled carbon nanotubes applied as support in iron-based high-temperature Fischer–Tropsch synthesis // Catal Today. Elsevier. 2016. V. 270. P. 85–92. https://doi.org/10.1016/J.CATTOD.2015.09.023
- Bai S., Huang C., Lv J., Li Z. Comparison of induction behavior of Co/CNT and Co/SiO2 catalysts for the Fischer–Tropsch synthesis // Catal Commun. Elsevier. 2012. V. 22. P. 24–27.
https://doi.org/10.1016/J.CATCOM.2012.02.006 - Ali S., Zabidi N. A. M., Al-Marri M. J., Khader M. M. Effect of the support on physicochemical properties and catalytic performance of cobalt based nano-catalysts in Fischer–Tropsch reaction // Mater Today Commun. Elsevier. 2017. V. 10. P. 67–71. https://doi.org/10.1016/J.MTCOMM.2017.01.004
- Wang W., Duong-Viet C., Ba H., Baaziz W., Tuci G., Caporali S., Nguyen-Dinh L., Ersen O., Giambastiani G., Pham-Huu C. Nickel nanoparticles decorated nitrogendoped carbon nanotubes (Ni/N-CNT); A Robust catalyst for the efficient and selective CO2 methanation // ACS Appl Energy Mater. American Chemical Society. 2019. V. 2. N 2. P. 1111–1120. https://doi.org/10.1021/
ACSAEM.8B01681/SUPPL_FILE/AE8B01681_SI_001. PDF - Bohnenberger T., Schmid U. Layer-by-layer approach for deposition of pure carbon nanotubes and composite films for use as electrodes in electrochemical devices // Thin Solid Films. Elsevier. 2014. V. 565. P. 116–121. https://doi.org/10.1016/J.TSF.2014.05.055
- Kaushik P., Kumar Rastogi C., Channegowda M., Patel A., Gyanprakash M. Investigating electrochemical properties of iron oxide-carbon nanotube composite for supercapacitor application // Mater Today Proc. Elsevier. 2022. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2022.08.258
- Chernyak S., Burtsev A., Maksimov S., Kupreenko S., Maslakov K., Savilov S. Structural evolution, stability, deactivation and regeneration of Fischer–Tropsch cobaltbased catalysts supported on carbon nanotubes // Appl Catal A Gen. Elsevier. 2020. V. 603. P. 117741.
https://doi.org/10.1016/J.APCATA.2020.117741 - Schulte H.J., Graf B., Xia W., Muhler M. Nitrogen- and used as support in iron-catalyzed, high-temperature Fischer–Tropsch synthesis // ChemCatChem. John Wiley & Sons, Ltd. 2012. V. 4. N 3. P. 350–355. https://doi.org/10.1002/CCTC.201100275
- Li J., Zhou Y., Xiao X., Wang W., Wang N., Qian W., Chu W. Regulation of Ni-CNT interaction on Mnpromoted nickel nanocatalysts supported on oxygenated CNTs for CO2 selective hydrogenation // ACS Appl 2018. V. 10. N 48. P. 41224–41236. https://doi.org/10.1021/
ACSAMI.8B04220/SUPPL_FILE/AM8B04220_SI_001. PDF - Popov M. V., Bannov A. G. Growth of carbon nanofibers by the catalytic decomposition of methane over Ni-Cu/ Al2O3 catalyst // Mater Today Proc. Elsevier. 2020. V. 31. P. 489–491. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2020.05.728
- Jiménez V., Sánchez P., Panagiotopoulou P., Valverde J. L., Romero A. Methanation of CO, CO2 and selective methanation of CO, in mixtures of CO and CO2, over ruthenium carbon nanofibers catalysts // Appl Catal A Gen. Elsevier. 2010. V. 390. N 1–2. P. 35–44. https://doi.org/10.1016/J.APCATA.2010.09.026
- Hu F., Ye R., Jin C., Liu D., Chen X., Li C., Lim K. H., Song G., Wang T., Feng G., Zhang R., Kawi S. Ni nanoparticles enclosed in highly mesoporous nanofibers with oxygen vacancies for efficient CO2 methanation // Appl Catal B. Elsevier B.V.. 2022. V. 317. https://doi.org/10.1016/J.APCATB.2022.121715
- Torres Galvis H. M., Bitter J. H., Khare C. B., Ruitenbeek M., Dugulan A. I., de Jong K. P. Supported iron nanoparticles as catalysts for sustainable production of lower olefins // Science (1979). American Association for the Advancement of Science. 2012. V. 335. N 6070.
P. 835–838. https://doi.org/10.1126/SCIENCE.1215614/ SUPPL_FILE/TORRESGALVIS.SOM.PDF - Kwon K., Jin S. A., Pak C., Chang H., Joo S. H., Lee H. I., Kim J. H., Kim J. M. Enhancement of electrochemical stability and catalytic activity of Pt nanoparticles via strong metal-support interaction with sulfur-containing ordered mesoporous carbon // Catal Today. Elsevier. 2011. V. 164. N 1. P. 186–189. https://doi.org/10.1016/J.CATTOD.2010.10.030
- Le T. H., Kim S. J., Bang S. H., Lee S. H., Woo Choi Y., degradation activity and reusability of Corynebacterium glutamicum coated with NH2-functionalized silica-encapsulated Fe3O4 nanoparticles // Bioresour Technol. Elsevier. 2012. V. 104. P. 795–798. https://doi.org/10.1016/J.BIORTECH.2011.10.064
- Куликова М. В., Крылова А. Ю. Новый виток развития углехимии // Химия в интересах устойчивого развития. 2022. Т. 30, № 5. C. 581–588. https://doi.org/10.15372/KHUR2022417
[Kulikova M. V., Krylova A. Yu. A New Round of Coal Sustainable 581–588.
https://doi.org/10.15372/KHUR2022417]. - Yan Q., Street J., Yu F. Synthesis of carbon-encapsulated iron nanoparticles from wood derived sugars by hydrothermal carbonization (HTC) and their application to convert bio-syngas into Biomass Bioenergy. Pergamon. 2015. V. 83. P. 85–95. https://doi.org/10.1016/J.BIOMBIOE.2015.09.002
Выпуск
Другие статьи выпуска
На основе результатов термогравиметрического анализа (ТГА) гидроконверсии гудрона, шинной резины и ее смесей с гудроном в присутствии прекурсора наноразмерного катализатора показано, что термодинамические характеристики деструкции смеси зависят от содержания в них резины. Энергия активации Еа, вычисленная по кинетическим уравнениям на основе данных ТГА, оказалась наименьшей для смеси, содержащей 70 мас. % гудрона и 30 мас. % резины; в этом случае наблюдается повышение степени пре- вращения при гидроконверсии и увеличение выхода дистиллятных продуктов. Проведен анализ выхода продуктов макрокомпонентов: парафино-нафтеновых, ароматических, смол и асфальтенов. Показано изменение химизма процесса гидроконверсии гудрона с резиной в зависимости от состава сырьевой смеси, обусловленное отклонением выхода продуктов гидроконверсии смеси от аддитивного выхода продуктов в отдельности от гудрона и резины.
Показана возможность выделения водорода из газовых смесей путем его химического связывания в ходе гидрирования ароматических соединений — жидких органических носителей — с использованием Ni–Mo-сульфидных катализаторов без носителя, полученных in situ при диспергировании и последующем высокотемпературном разложении-сульфидировании маслорастворимых предшественников активного компонента в углеводородной среде. Изучены особенности гидрирования нафталина, его монометилзамещенных производных и антрацена при различном соотношении компонентов в составе газовых смесей; показана зависимость конверсии субстрата и селективности по продуктам от температуры, давления и времени процесса, а также присутствия воды в условиях реакции водяного газа. Установлено, что конверсия ароматических соединений и степень насыщения водородом при проведении процесса в атмосфере синтез-газа (соотношение СО:Н2 = 1:1) при температуре 340°С и давлении 5 МПа убывает в ряду антрацен > 2-метилнафталин ~ нафталин >> 1-метилнафталин. При этом на скорость реакции гидрирования влияют стерические затруднения, возникающие при сорбции молекул субстрата ввиду наличия заместителей в бензольном кольце, и структура конформационных изомеров молекул-интермедиатов. Показано, что дисперсные Ni–Mo-сульфидные катализаторы активны в гидрировании 2-метилнафталина и обеспечивают конверсию не менее 90% в соответствующие тетралины (соотношение 6- и 2- изомеров (1.5–1.7):1) в диапазоне температур 320–360°С при содержании в газовой смеси монооксида углерода и метана 25–50 об.% и общем давлении в системе 5 МПа. Установлено, что при проведении процесса в условиях реакции водяного газа (содержание воды 10 мас.%, CO:H2 = 1:1 при общем давлении в системе 5 МПа) для обеспечения in situ регенерации катализатора и перевода в активную сульфидную форму содержание серы (предшественник сульфидирующего агента) должно быть не менее 1.2 мас. % при содержании молибдена 0.06 мас. %.
Исследовано влияние фазового состава дисперсного молибденового катализатора на превращение высокомолекулярных компонентов (смол и асфальтенов) в процессе гидроконверсии тяжелого нефтяного сырья. Суспензии частиц катализаторов получали из обратных эмульсий водных растворов прекурсора — парамолибдата аммония непосредственно в сырье в процессе гидроконверсии (in situ) или предварительно синтезировали суспензию катализатора (ex situ), которую затем добавляли в сырье. В качестве сырья использовали вакуумный остаток дистилляции нефти и тяжелую нефть. Эксперименты выполняли в проточном реакторе в условиях гидроконверсии с добавками к сырью донора серы. Методом ex situ получены частицы катализаторов с разным соотношением сульфидной и оксидной фазы Мо. Установлено, что с повышением содержания МoS2 в составе дисперсного катализатора растет его активность в ингибировании цепных реакций термического крекинга, протекающих с образованием смол, асфальтенов и кокса. Отмечено снижение конверсии фракции выше 500°С в присутствии катализатора, связанное, по-видимому, насыщением и нейтрализацией активным водородом первичных радикалов термодеструкции, инициирующих зарождение и развитие цепной реакции термокрекинга.
Синтезированы рутениевый и никелевый катализаторы на основе модифицированного алюминием мезопористого силиката структурного типа SBA-15 (Santa Barbara Amorphous-15) Al-SBA-15 с соотношением Si/Al, равным 20. Катализаторы исследованы в гидрировании в водной среде фурфурола – ценного продукта, образующегося при переработке лигноцеллюлозной биомассы. Установлено, что при повышении температуры реакции с 200 до 250°С и давления водорода с 3 до 5 МПа растет селективность образования метилтетрагидрофурана. Установлено, что рутениевый катализатор обладает более высокой активностью в реакции гидрирования фурфурола в водной среде (250°С, 5 МПа Н2) по сравнению с никелевым катализатором.
В работе показано, что введение родия в цеолиты значительно усиливает каталитические свойства системы. Наиболее высокую активность и селективность по уксусной кислоте (УК) демонстрирует катализатор Rh/ИК(УЗО), характеризующийся повышенным содержанием сильных кислотных центров, в присутствии которого выход УК увеличивается более, чем в 2 раза, а соотношение УК/метанол более, чем на порядок, в сопоставлении с другими родий содержащими катализаторами. Выявлен синергизм действия сильных бренстедовских кислотных центров и одноатомных центров родия. Ключевую роль играет их близкое взаимное расположение.
Торрефикация и гидротермальная карбонизация — низкотемпературные термохимические способы конверсии биомассы в биоугль — углеродно-нейтральный аналог ископаемого угля. Биоугли в сравнении с необработанной биомассой отличаются гидрофобными свойствами, повышенной плотностью энергии и теплотворными способностями схожими с бурыми углями. Ключевым отличием двух методов обработки является присутствие в случае гидротермальной карбонизации значительного количества воды в качестве реакционной среды, а, следовательно, и механизмы образования биоугля будут различны для каждого процесса. В обзоре рассмотрены работы, посвященные особенностям низкотемпературной термообработки биомассы, а также закономерностям превращения структурных компонентов биомассы (целлюлоза, гемицеллюлозы, лигнин) характерным для торрефикации и гидротермальной карбонизации.
Издательство
- Издательство
- ИНХС РАН
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 119991, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, 29
- Юр. адрес
- 119991, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, 29
- ФИО
- Максимов Антон Львович (Директор)
- E-mail адрес
- director@ips.ac.ru
- Контактный телефон
- +7 (495) 9554201
- Сайт
- http:/www.ips.ac.ru