Разработка новых каталитических материалов для водородной энергетики на основе Ni-Co наносплавов на поверхности наноструктурированной (Ni)CoAl2O4 шпинели и их исследование в реакции углекислотной конверсии метана

Катализаторы состава NixCo1–xAl2O4 (x = 0÷0,5) готовили методом соосаждения растворов азотнокислых солей Ni, Co и Al. При термообработке полученного ксерогеля при 700 °С на воздухе формируется оксид алюминия со структурой шпинели, в котором стабилизированы ионы никеля и кобальта. Изучение in situ восстановления этих прекурсоров в водородсодержащей газовой смеси при 700 °С методом рентгенофазового анализа и ex situ после предварительного восстановления в водородсодержащей газовой смеси и дальнейшей работы в условиях реакционной среды показало, что на поверхности шпинели формируются ансамбли частиц сплава Ni-Co размером 3-4 нм. Исследовано влияние состава катализаторов и продолжительности их испытания на каталитические свойства в реакции углекислотной конверсии метана (УКМ). Катализатор состава Ni0,35Co0,65Al2O4 показал стабильную работу в реакции УКМ в течение 20 ч при конверсии CH4 76 % и выходе H2 42 % (Т = 700 °C, τ = 30 мс). Высокая каталитическая активность полученных катализаторов в УКМ обусловлена формированием высокодисперсных сплавных Ni-Co наночастиц активной фазы в количестве 17–18 мас.% на изначально большой удельной поверхности шпинели, стабилизированной ионами никеля и кобальта, и обладающей подвижным объемным кислородом в восстановленном состоянии.

1. Alipour Z, Borugadda, Wang H., Dalai A. K. // Chemical Engineering Journal. 2023.V. 452 .P. 139416, https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139416

2. Yentekakis I. V., Panagiotopoulou P., Artemakis G.// Appl. Catal. B: Environ. 2021. V. 296. P. 120210, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120210

3. Александрова В. Д. // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2019. № 5–1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennaya- kontseptsiya-tsirkulyarnoy-ekonomiki.

4. Yentekakis I.V., Goula G., Hatzisymeon M., Betsi-Argyropoulou I., Botzolaki G., Kousi K., Kondarides D.I., Taylor M.J., Parlett C.M.A., Osatiashtiani A., Kyriakou G., Holgado J.P., Lambert R.M. // Appl. Catal. B: Environ. 2019. V. 243 P. 490–501. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.10.048.

5. Abdulrasheed A., Jalil A.A., Gambo Y., Ibrahim M., Hambali H.U., Shahul Hamid M.Y. // Renewable Sustainable Energy Rev. 2019 V. 108. P. 175–193. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.03.054.

6. Song Y., Ozdemir E., Ramesh S., Adishev A., Subramanian S., Harale A., Albuali M., Fadhel B.A., Jamal A., Moon D., Choi S.H., Yavuz C.T. // Science. 2020. V. 367. P. 777–781 https://science.sciencemag.org/content/367/6479/777 /tab-pdf.

7. Pakhare D., Spivey J. // Chem. Soc. Rev. 2014. V. 43. P. 7813–7837. https://doi.org/10.1039/ C3CS60395D.

8. Tsoukalou A., Imtiaze Q., Kim S.M., Abdala P.-M., Yoon S., Muller C.-R. // J. Catal. 2016 V. 343. P. 208-214. http://dx.doi.org/10.1016/j.jcat.2016.03.018

9. Liu Z., Zang F., Rui N., Li X., Lin L., Betancourt L.E., Sun D., Xu W., Gen Y., Attenkofer K., Idriss H., Rodriguez J.A., Senanayake S.D. // ACS Catal. 2019. V. 9. P. 3349–3359. https:// 10.1021/Acscatal.8B05162.

10. Sharifianjazi F., Esmaeilkhanian A., Bazli L., Eskandarinezhad S., Khaksar S., Shafiee P., Yusuf M., Abdullah B., Salahshour P., Sadeghi F. // Int. J. Hydrog. Energy. 2022. V. 47. P. 42213–42233. https://doi.org/ 10.1016/j.ijhydene.2021.11.172

11. Rezaei M., Alavi S.M., Sahebdelfar S., Yan Z.F. // J. Nat. Gas. Chem. 2006. V. 15. P. 327–334. https://doi.org/10.1016/S1003-9953(07)60014-0.

12. Barama S., Dupeyrat-Batiot C., Capron M., Bordes-Richard E., Bakhti-Mohammedi O. // Catal. Today. 2009. V. 141. P. 385–392. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2008.06.025.

13. Ferreira-Aparicio P., Guerrero-Ruiz A., Rodriquez-Ramos I. // Appl. Catal. A: Gen. 1998. V. 170. P. 177–187. https://doi.org/10.1016/S0926-860X(98) 00048-9.

14. Bitters J. S., T. He, Nestler E., Senanayake S.D., Chen J. G., Zhang C.// Journal of Energy Chemistry 68 (2022) 124–142. https://doi.org/10.1016/j.jechem/2021.11.041

15. Goula M.A., Charisiou N.D., Siakavelas G., Tzounis L., Tsiaoussis I., Panagiotopoulou P., Goula G., Yentekakis I.V. // Int. J. Hydrog. Energy. 2017. V 42. P. 13724–13740. https://doi.org/ 10.1016/j.ijhydene.2016.11.196

16. Sache E. Le, Pastor-Perez L., Watson D., Sepúlveda-Escribano A., Reina T.R. // Appl. Catal. B: Environ. 2018. V. 236. P. 458–465. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.05.051

17. Serrano-Lotina A., Daza L. // Appl. Catal. A Gen. 2014. V. 474. P. 107–113. https:// doi.org/10.1016/j.apcata.2013.08.027.

18. Stroud T., Smith T.J., Le Sach´e E., Santos J.L., Centeno M.A., Arellano-Garcia H., Odriozola J.A., Reina T.R. // Appl. Catal. B: Environ. 2018. V. 224. P. 125–135. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.10.047.

19. Zhang W.D., Liu B.S., Tian Y.L. // Catal. Comm. 2007. V. 8. P. 661–667. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2006.08.020

20. Amin M.H., Mantri K., Newnham J., Tardio J., Bhargava S.K. // Appl. Catal. B: Environ. 2012. V. 119. P. 217–226. https://doi.org/10.1016/ j.apcatb.2012.02.039

21. Fakeeha A.H., Al Fatesh A.S., Ibrahim A.A., Kurdi A.N., Abasaeed A.E. // ACS Omega. 2021.V. 6. P. 1280–1288, https://doi.org/10.1021/ acsomega.0c04731.

22. Sengupta S., Ray K., Deo G. // Int. J. Hydrog. Energy. 2014. V. 39. P. 11462–11472, http://dx.doi.org/ 10.1016/j.ijhydene.2014.05.058

23. Gonzalez-delaCruz V.M., Pereniguez R., Ternero F., Holgado J.P., Caballero A. // J. Phys. Chem. C. 2012. V. 116. P. 2919–2926. https://doi.org/10.1021/jp2092048

24. Zhang J., Wang H., Dalai A. K. // Applied Catalysis A: General. 2008. V. 339 P. 121–129. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2008.01.027

25. Foo S.Y., Cheng C.K., Nguyen T-H., Adesina A.A. // Ind. Eng. Chem. Res. 2010. V. 49. P. 10450–10458. https://doi.org/10.1021/ie100460g

26. Wu Z., Yang B., Miao S., Liu W., Xie J., Lee S., Pellin M.J., Xiao D., Su D., Ma D. // ACS Catal. 2019. V. 9. P. 2693–2700, https://doi.org/10.1021/ acscatal.8b02821.

27. Sengupta S., Ray K., Deo G. // Int. J. Hydrog. Energy. 2014. V. 39. P. 11462–11472. https://doi.org/10.1016/j. ijhydene.2014.05.058.

28. Kumari R., Sengupta S. // Int. J. Hydrog. Energy. 2020. V. 45. P. 22775–22787. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.06.150.

29. Li H., Shin K., Henkelman G. //J. Chem. Phys. 2018. V. 149. P. 174705. https://doi.org/10.1063/1.5053894

30. Yu W., Porosoff M.-D., Chen J.-G. // Chem. Rev. 112 (2012) 5780–5817. https://doi.org/10.1021/cr300096b

31. Jo D.-Y., Lee M.-W., Kim C.-H., Choung J.-W., Ham H.-C., Lee K.-Y. // Catal. Today. 2021. V. 359. P. 52–64. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2019.05.031

32. Erdogan B., Arbag H., Yasyerli N. //. Int. J. Hydrog.Enerdy 2018. V. 48. P. 1396–1405. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.11.127

33. Zhang J., Wang H., Dalai A. K. // Journal of Catalysis 2007. V. 249. P. 300–310. https://doi.org/10.1016/j.jcata.2007.05.004

34. San Jose-Alonso D., Juadry J., Illan-Gomez M.J., Roman-Martínez M.C. // Appl. Catal. A: Gen. 2009. V. 371. P. 54–59. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2009.09.026.

35. Chen Y., Ren J. // Catal. Lett. 1994. V. 29. P. 39–48. https://doi.org/10.1007/BF00814250

36. Dekkar S., Tezkratt S., Sellam D., Ikkour K., Parkhomenko K., Martinez-Martin A., Roger A.C. // Catal. Lett. 2020. V. 150, P. 2180–2199. http://dx.doiorg /10.1007/s10562-020-03120-3.

37. Sharifi M., Haghighi M., Rahmani F., Karimipour S. // J. Natural Gas Sci. and Eng. 2014. V. 21. P. 993–1004, http://dx.doiorg/10.1016/jjngse.201410.030

38. Hayakawa T., Harihara H., Andersen A.G., Suzuki K., Yasuda H., Tsunoda T., Hamakawa S., York A.P.E., Yoon Y.S., Shimizu M., Takehira K. .//.Appl. Catal. A: Gen. 1997. V. 149. P. 391–410. https://doi.org/10.1016/s0926-860x(96)00274-8

39. Hayakawa T., Suzuki S., Nakamura J., Uchijima T., Hamakawa S., Suzuki K., Shishido T., Takehira K. // Applied Catalysis A: Gen. 1999. V. 183. P. 273–285. https://doi.org/10.1016/s0926-860x(99)00071-x

40. Matus E. V., Nefedova D. V., Sukhova O. B., Ismagilov I. Z., Ushakov V. A., Yashnik S. A., Nikitin A. P., Kerzhentsev M. A., Ismagilov Z. R. //Kinetics and Catalysis. 2019. V. 60. P. 496–507. https://doi.org/10.1134/S0023158419040074

41. Bruker AXS. TOPAS V4.2: General Profile and Structure Analysis Software for Powder Diffraction Data—User’s Manual; Bruker AXS: Karlsruhe, Germany, 2008; Available online: http://algol.fis.uc.pt/jap/TOPAS%204-2%20Users%20Manual.pdf (accessed on 8 May 2020)

42. Database: Inorganic Crystal Structure Database, ICSD. In Release 2008. Fashinformationszentrum Karsruhe D #8211 1754 Eggenstein #8211 Leopoldshafen, Germany, 2008.

43. Moudler J., Stickle W., Sobol P., Bomben K., Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy, Perkin-Elmer Corp.: Eden. Prairie, MN, 1992.

44. Scofield J. H., J. // Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 1976 V. 8. P. 129–137. https://doi.org/10.1016/0368-2048(76)80015-1

45. Kwok R. Free, fully featured, software for the analysis of XPS spectra. November 25, 2023. http://xpspeak.software.informer.com/4.1/

46. Садыков В. А., Садовская Е. М., Уваров Н. Ф. // Электрохимия. 2015. Т. 51. № 5, с. 529–539 https://doi.org/ 10.7868/S0424857015050114

47. Sadykov V., Sadovskaya E., Bobin A., Kharlamova T., Uvarov N., Ulikhin A., Argirusis C., Sourkouni G., Stathopoulos V. // Solid State Ionics. 2015. V. 271. P. 69–72. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2014.11.004

48. Xu J., Zhou W., Li Z., Wang J., Ma J. // Int. J. Hydrog. Energy. 2009. V. 34. P 6646–6654. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.06.038.

49. Wang R., Li Y., Shi R., Yang M.. // J Mol. Catal. A:Chem. 2011. V. 344. P. 122–127. https://doi.org/ 10.1016/j.molcata.2011.05.009

50. Zhang H. J., Chen Z. Q. and Wang S. J. // Phys. Rev. B 82 (2010) 035439. https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.82.035439

51. Du J., Liu G., Li F., Zhu Y. and L. Sun Iron–Salen // Adv. Sci., 2019. V. 6. P. 1900117. https://doi.org/ 10.1002/advs.201900117

52. Cano A.M., Marquardt A.E., DuMont J.W.and George S.M.// J. Phys. Chem. C. 2019. V. 123. P. 10346−10355. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b00124