Особенности формирования катализаторов на основе γ-Al2O3, модифицированной ионами Ca2+ и Ni2+, высокоактивных и устойчивых к зауглероживанию в реакции углекислотной конверсии метана в синтез-газ: связь физико-химических и каталитических свойств

Показано, что в катализаторах NixCa1–xAl2O4, где x = 0,1÷0,5, полученных методом соосаждения после прокаливания на воздухе при температуре 700 °C, формируется оксидное соединение с дефектной структурой γ-Al2O3, в котором стабилизированы ионы Ni2+ и Ca2+, а также высокодисперсные фрагменты NiAl2O4 и NiO. При восстановлении в водороде на этапе предобработки и дальнейшей работе в реакционной среде никель частично восстанавливается до металлического состояния и выходит из структуры соединения, образуя на поверхности высокодисперсные частицы Ni0 с размером 3–15 нм. Кальций стабилизируется в структуре γ-Al2O3 и на его поверхности. Введение Ca приводит к значительному увеличению концентрации не слишком стабильных поверхностных и объемных карбонатов и гидрокарбонатов, что способствует окислению С-содержащих промежуточных соединений, образующихся на Ni0 центрах. Кроме того, модифицирование Ca приводит к снижению концентрации сильных кислoтных центров на поверхности, образованию в реакционных условиях более слабой связи СO2 и полному исчезновению сигналов комплексов СО с сильными ЛКЦ, что значительно снижает количество углерода, образующегося на стадии осаждения на поверхности. Полученные катализаторы характеризуются высокой активностью и стабильной работой в течение длительного времени в реакции углекислотной конверсии метана.

1. Global Warming of 1.5 °C // Intergovernmental Panel on Climate Change. URL: https://www.ipcc.ch/sr15/ (дата обращения: 16.09.2022).

2. AMAP. Arctic Climate Change Update 2021: Key Trends and Impacts. Summary for Policy-makers //Arctic Monitoring and Assessment Programme, 2021. P.16.URL: https://www.amap.no/documents/download/6759/inline (дата обращения: 16.10.2021).

3. Александрова В. Д. // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2019. № 5–1. 4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennaya- kontseptsiya-tsirkulyarnoy-ekonomiki.

4. Alipour Z., Rezaei V., Meshkani F. // Chemical Engineering Jornal // 2023. 452. 139416. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139416

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

6. Song Y., Ozdemir E., Ramesh S., Adidhev A., Haral A., Albuani M., Fadhel B.A., Jamal A., Moon D., Chois H., Yavuz C.T. // Scince 2020. 367. P.777-781. DOI: 10.1126/science.aav2412

7. 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 G.P., Lambert R.M. // Appl. Catal. B: Environ. 2019. V. 243. P. 490-501. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.10.048

8. Zhang G., Liu J., Xu Y., Sun Y.// Int. J. Hydrogen Energy. 2018. V. 43. P. 15030 – 15054. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.06.091

9. 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

10. Salaev M.A., Liotta L.F., Vodyankina O.V. // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. P. 4489 – 4535, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.11.086

11. Vasiliades M.A., Djinovi P., Davlyatova L.F., Pintar A., Efstathiou A.M. // Catal. Today. 2018. V. 299. P. 201 - 211. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2017.03.057

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

13. Pizzolitto C., Pupulin E.,Menegazzo F., Ghedini E., Di Michele A., Mattarelli M., Cruciani G., Signoretto M., // Int. J. Hydrogen Energy. 2019, V. 44. P.28065. 10.1016/j.ijhydene.2019.09.050

14. Provedier H., Petit C., Estournes C., Libs S., Kiennemann A. // Appl. Catal. A. 1999. V. 180. P. 163173. https://doi.org/10.1016/S0926-860X(98)00343-3

15. Charisiou N.D., Baklavaridis A., Papadakis V.G., Goula M.A. // Waste Biomass Valor. 2016. V. 7. P. 725736. https://doi.org/10.1007/s12649-016-9627-9

16. Choudhary V.R., Uphade B.S., Mamman A.S. // Catalysis Letters. 1995. V. 32 P. 387390. https://doi.org/10.1007/BF00813233

17. Koo K.Y., Roh H.S., Seo Y.T., Yoon W.L., Park S.B. // Appl. Catal. A. 2008. V. 340. P. 183190. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2008.02.009

18. Toshihiko O., Toshiaki M. // J. Catal. 2001. V. 204. P. 8997. https://doi.org/10.1006/jcat.2001.3382

19. Zhang Z.L., Verykios X.E. // Cat. Today. 1994. V. 21. P. 589595. https://doi.org/10.1016/0920-5861(94)80183-5

20. Horiuchi T., Sakuma K., Fukui T., Kubo Y., Osaki T., Mori T. Applied Catalysis A: General. 1996. V. 144. P. 111120. https://doi.org/10.1016/0926-860X(96)00100-7

21. Ismagilov I.Z., Matus E.V., Kuznetsov V.V., Yashnik S.A., Prosvirin I.P., Kerzhentsev M.A., Ismagilov Z.R., Mota N., Navarro R.M., Fierro J.L.G. // Appl. Catal. A. 2014. V. 481. P. 104 – 115. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2014.04.042.

22. Deng J., Cai M., Sun W., Liao X., Chu W., Zhao X.S. //ChemSusChem. 2013. V. 6. P. 2061 - 2065. https://doi.org/10.1002/cssc.201300452

23. Матус Е.В., Шляхтина A.C., Сухова О.Б., Исмагилов И.З., Ушаков В.А., Яшник С.А., Никитин А.П., Bharali P., Керженцев М.А., Исмагилов З.Р. // Кинетика и катализ 2019.V. 60. С.245255. https://doi.org/10.1134/S0453881119020072 (Для анг. версии Matus E.V., Shlyakhtina A.S., Sukhova O.B., Ismagilov I.Z., V. A. Ushakov V.A., S. A. Yashnik S. A., Nikitin A. P., Bharali P, Kerzhentsev M.A., Ismagilov Z.R. Kinetika i Kataliz, 2019, Vol. 60, No. 2, P. 245–255. https://doi.org/10.1134/S002315841902006X)

24. Tan J., Lee D., Ahn J., Kim B., Kim J., Moon J. // J. Mater. Chem. A. 2018. V. 6. P. 18133 – 18142, https://doi.org/10.1039/C8TA05978K

25. Misture S.T., McDevitt K.M., Glass K.C., Edwards D.D.,Howe J.Y., Rector K.D., Hec H., Vogel S.C. // Catal. Sci. Technol. 2015. V. 5. P. 4565 - 4574. https://doi.org/10.1039/C5CY00800J

26. Li D., Koike M., Chen J., Nakagawa Y., Tomishige K. // Int. J. Hydrogen Energy. 2014. V. 39. P. 10959 – 10970, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.05.062

27. 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)

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

29. Belskaya O.B., Danilova I.G., Kazakov M.O., Mironenko R.M., Lavrenov A.V., Likholobov V.A., in Infrared Spectrosc. - Mater. Sci. Eng. Technol., Ed Theophanides T., InTechOpen. 2012. P. 149–178. https://doi.org/10.5772/36275.

30. Busca G. // Adv. Catal. 2014. V. 57. P. 319–404. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800127-1.00003-5.

31. Desai P.G., Xu Z., Lewis P.G. // J. Am. Caram. Soc. 1995. V. 78 (11). P. 2881-2888. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1995.tb09059.x

32. Garbarino G., Chitsazan S., Phung T.K., Riani P., Busca G. Preparation of supported catalysts: a study of the effect of small amounts of silica on Ni/Al2O3 catalysts // Appl. Catal. A, General. http://dx.doi.org/10.1016/j.apcata.2015.07.017

33. 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

34. 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.