Каталитическая коррозия промышленных Pt–Pd–Rh–Ru-сеток в процессе высокотемпературного окисления аммиака воздухом

Высокотемпературное окисление аммиака на платиноидных сетках до оксида NO применяется для промышленного получения азотной кислоты. Мировое годовое производство HNO3 достигает 70–80 млн т. Около 80 % произведенной кислоты используется для получения минеральных удобрений, применяемых в сельском хозяйстве. В процессе окисления NH3 на платиноидных сетках формируются коррозионные слои, которые снижают активность и прочность сеток, а также увеличивают потери катализатора. Для повышения эффективности катализаторов, применяемых в промышленном окислении NH3, активно изучаются коррозионные структуры на поверхности катализаторов. В настоящей работе приводятся результаты исследования морфологии, микроструктуры и химического состава коррозионных структур на промышленных Pt–Pd–Rh–Ru-сетках с составом 81, 15, 3,5, 0,5 мас.%, использованных в окислении NH3 воздухом при Т = 1133 К и давлении 3,6 бар в промышленном и лабораторном реакторах. На использованных сетках обнаруживается коррозионный слой, включающий пористые кристаллические агломераты c размерами 10–50 мкм и другие кристаллические структуры. Коррозионные слои характеризуются повышенной удельной поверхностью и стабильными кристаллической структурой и фазовым составом, а также повышенной концентрацией абсорбированных атомов Oaб и Naб (20–25 ат.%) в приповерхностных слоях катализатора. Вследствие формирования участков катализатора с различной температурой происходит массоперенос металлов с «горячих» на «холодные» участки, как в ходе поверхностной диффузии атомов металлов, так и испарения, и конденсации летучих оксидов типа PtO2 и др. В результате этих процессов осуществляется глубокая коррозия катализатора с формированием шероховатого слоя из крупных кристаллических агломератов.

1. International Platinum Group Metals Association (IPA), About PGMs, PGMs uses. http://ipa-news.de. Accessed 07 May 2024

2. Johnson Matthey, Products and Markets, PGM Markets. http://matthey.com. Accessed 07 May 2024

3. Lloyd L. Oxidation Catalysts. In: Twigg M.V., Spencer M.S. (eds) Handbook of Industrial Catalysis, Fundamental and Applied Catalysis. Springer Science+Business Media, New York. 2011. P. 119−131.

4. Hatscher S.T., Fetzer T., Wagner E., Kneuper H. Ammonia Oxidation. In: Ertl G., Knozinger H., Schuth F., Weitkamp J. (eds). Handbook of Heterogeneous Catalysis 2nd ed. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. 2008. P. 2575−2592.

5. Караваев М.М., Засорин А.П., Клещев Н.Ф. Каталитическое окисление аммиака. М.: Химия, 1983. 232 с.

6. Fierro J.L.G., Palacios J.M., Tomas F. // Platinum Metals Review. 1990. V. 34. № 2. P. 62−70.

7. Rosenstiel A.P.v., Bruis W.H.J., van Os G.H., Mertens P.R., Koeiman O.A., Berresheim K.H. // Fresenius Z. Analytische Chemie. 1989. V. 333. P. 535−539.

8. Fierro J.L.G., Palacios J.M., Tomas F. // Journal of Materials Science. 1992. V. 27. P. 685−691.

9. Harbord N.H. // Platinum Metals Review. 1974. V. 18. № 3. P. 97−102.

10. Sperner F., Hohmann W. // Platinum Metals Review. 1976. V. 20. № 1. P. 12−20.

11. Philpott J.E. // Platinum Metals Review. 1971. V. 15. № 2. P. 52−57.

12. Lyubovsky M.R., Barelko V.V. // Journal of Catalysis. 1994. V. 149. P. 23−35.

13. Любовский М.Р., Барелко В.В. // Кинетика и катализ. 1994. Т. 35. № 3. С. 412−418.

14. Hannevold L., Nilsen O., Kjekshus A., Fjellvag H. // Applied Catalysis A: General. 2005. V. 284. P. 163−176. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2005.01.033

15. Nilsen O., Kjekshus A., Fjellvag H. // Applied Catalysis A: General. 2001. V. 207. P. 43−54. https://doi.org/10.1016/S0926-860X(00)00615-3

16. Hannevold L., Nilsen O., Kjekshus A., Fjellvag H. // Applied Catalysis A: General. 2005. V. 284. P. 185−192. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2005.01.032

17. Саланов А. Н., Супрун Е. А., Серкова А. Н., Сидельникова О. Н., Сутормина Е. Ф., Исупова Л. А., Калинкин А. В., Пармон В. Н. // Кинетика и катализ. 2018. Т. 59. № 1 С. 105−121. 10.7868/S0453881118010112

18. Salanov A.N., Suprun E.A., Serkova A.N., Sidelnikova O.N., Sutormina E.F., Isupova L.A., Kalinkin A.V., Parmon V.N. // Kinetics and Catalysis. 2018. V. 59. P. 83–98. 10.1134/s0023158418010093

19. Саланов А. Н., Супрун Е. А., Серкова А. Н., Кочурова Н.М., Сидельникова О. Н., Сутормина Е. Ф., Исупова Л. А., Калинкин А. В., Пармон В. Н. // Кинетика и катализ. 2018. Т. 59. № 6. С. 756−775. 10.1134/S0453881118060175

20. Salanov A.N., Suprun E.A., Serkova A.N., Kochurova N.M., Sidel’nikova O.N., Sutormina E.F., Isupova L.A., Kalinkin A.V., Parmon V.N. // Kinetics and Catalysis. 2018. V. 59. P. 792–809. https://doi.org/10.1134/S0023158418060137

21. Саланов А. Н., Супрун Е. А., Серкова А. Н., Чеснокова Н.М., Сутормина Е. Ф., Исупова Л. А., Пармон В. Н. // Кинетика и катализ. 2020. Т. 61. № 3. С. 385–409. 10.31857/S0453881120030211

22. Salanov A.N., Suprun E.A., Serkova A.N., Chesnokova N.M., Sutormina E.F., Isupova L.A., Parmon V.N. // Kinetics and Catalysis. 2020. V. 61. P. 421–443. https://doi.org/10.1134/S0023158420030179

23. Salanov A.N., Serkova A.N., Chesnokova N.M., Isupova L.A., Parmon V.N. // Materials Chemistry and Physics. 2021. V. 273. P. 125138−125151. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.125138

24. Salanov A.N., Serkova A.N., Kalinkin A.V., Isupova L.A., Parmon V.N. // Catalysts. 2022. V. 12. P. 930−958. https://doi.org/10.3390/catal12090930

25. Salanov A.N., Kochurova N.M., Serkova A.N., Kalinkin A.V., Isupova L.A., Parmon V.N. // Applied Surface Science. 2019. V. 490. P. 188−203. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.05.289

26. Salanov A.N., Serkova A.N., Isupova L.A., Tsybulya S.V., Parmon V.N. // Catalysts. V. 13. № 2. P. 249−276. https://doi.org/10.3390/catal13020249

27. Васина С.Я., Бруштейн Е.А., Петрий О.А., Лазаричева И.В., Перов В.М. // Химическая промышленность. 1992. № 10. С. 30−33.

28. Goldstein J.I., Newbury D.E., Michael J.R., Ritchie N.W.M., Scott J.H.J., Joy D.C. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, 5th ed. ; Springer Science+Business Media LLC: New York, USA. 2018. P. 1−63.

29. Feldman L.C., Mayer J.W. Fundamentals of Surface and thin Film Analysis, North-Holland, New York. 1986. P. 344.

30. Пармон В.Н. Термодинамика функционирующего катализатора. Долгопрудный, Издательский Дом «Интеллект», 2024. 504 с.