Potentialities of the Direct Catalytic Processing of Methane into in-Demand Chemicals. Review

Literature data are reviewed in the field of catalytic reaction of the direct transformation of methane into marketable chemicals (H₂, C₂₊ hydrocarbons, methanol, formaldehyde and higher oxygenates). At present the processes based on these reactions are not implemented in industry. Catalytic systems providing achievement of the maximal parameters (in the first, the yields of target products) were identified for each of the reactions, and the proximity to their potential commercialization was determined. The processes of synthesis of C₂₊ and alkylaromatic hydrocarbons via oxidative condensation (dimerization) of methane and by the reaction of methane with C₃–C₆ alkanes, respectively, are considered most promising for the semicommercial production in the nearest future. A considerable progress in the development of new zeolite and aluminosilicate modifications makes it possible to solve the problem of the fast catalyst deactivation during olefin methylation to produce hydrocarbons of the gasoline fraction. Implementation of the process of methane pyrolysis to carbon and H₂ is mainly limited by insufficient demand for the obtained types of carbon materials and by the low strength of the available catalysts for fixed catalyst bed processes. The yields of a number of products (methanol, formaldehyde) are not as high as the ones required for the process commercialization. As to the other products (higher oxygenates), a general possibility of their synthesis is only so far demonstrated.

1. IHS Chemical Process Economics Program. Report 148B: Synthesis Gas Production from Natural Gas Reforming, by S.N. Naqvi. 2013.

2. Lunsford J.H. // Catal. Today. 2000. V. 63. P. 165—174.

3. Otsuka K., Wang Y. // Appl. Catal. A: General. 2001. V. 222. P. 145—161.

4. Choudhary T.V., Aksoylu E., Goodman D.W. // Catalysis Reviews. 2003. V. 45. No. 1. P. 151—2003.

5. Holmen A. // Catal. Today. 2009. V. 142. pp. 2—8.

6. Schwarz H. // Angew. Chem. Int. Ed. 2011. V. 50. P. 10096—10115.

7. Baliban R.C., Elia J.A., Floudas C.A. // AIChE Journal; 2013. V. 59 No. 2. P. 505—531.

8. Arutunov V.S. Direct methane to methanol. Foundations and Prospects of the Process (Elsevier). 2014. 320 p.

9. Horn R., Schlögl R. // Catal. Lett. 2015. V. 145. P. 23—39.

10. Taifan W., Baltrusaitis J. // Appl. Catal. B: Environ. 2016. V. 198. P. 525—547.

11. Арутюнов В.С., Крылов О.В. Окислительные превращения метана. М.: Наука, 1998. 361 с. [Arutyunov V.S., Krylov O.V. Oxidative Conversion of Methane. Moscow: Nauka, 1998. 361 p. (in Russian)].

12. Пат. СССР 1828066; опубл. 1999 [USSR Patent 1828066, 1999].

13. Чесноков В.В., Зайковский В.И., Буянов Р.А., Молчанов В.В., Плясова Л.М. // Кинетика и катализ. 1994. Т. 35. № 1. С. 146—151 [Chesnokov V.V., Zaikovskii V.I., Byanov R.A., Molchanov V.V., Plyasova L.M. Kinetika I Kataliz. 1994. V. 35. No. 1. P. 146—151 (in Russian)].

14. Abbas H.F., Daud W.M.A.W. // Int. J. Hydrogen Energy. 2009. V. 34. P. 6231—6241.

15. Abbas H.F., Daud W.M.A.W. // Int. J. Hydrogen Energy. 2010. V. 35. P. 1160—1190.

16. Ashik U.P.M., Daud W.M.A.W. Abbas H.F. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. V. 44. P. 221—256.

17. Rechnia P., Malaika A., Krzyzynska B., Kozłowski M. // Intern. J. Hydrogen Energy. 2012. V. 37. P. 14178-14186.

18. Muradov N., Smith F., T-Raissi A. // Catal. Today. 2005. V. 102—103. P. 225—233.

19. Muradov N. // Catal. Commun. 2001. V. 2. P. 89-94.

20. Driscoll D.J., Lunsford J.H. // The Journal of Physical Chemistry. 1985. V. 89. No. 21. P. 4415-4418.

21. Morales E., Lunsford J.H. // J. Catal. 1989. V. 118. P. 255—265.

22. Mallens E.P.J., Hoebink J.H.B.J. Marin G.B. // J. Catal. 1996. V. 160. P. 222—234.

23. Ito T., Wang J.-X., Lin C.-H., Lunsford J.H. // J. Am. Chem. Soc. 1985. V. 107. P. 5062—5068.

24. Mallens E.P.J., Hoebink J.H.B.J. Marin G.B. // J. Catal. 1996. V. 160. P. 222—234.

25. Ломоносов В.И., Синев М.Ю. // Кинетика и катализ. 2016. Т. 57. № 5. С. 652—684. [Lomonosov V.I., Sinev M.Yu. Kinet. Catal. 2016. V. 57. №. 5. P. 647—676].

26. Xu Y.D., Bao X.H., Lin L.W. // J. Catal. 2003. V. 216. P. 386—395.

27. Менщиков В.А., Синев М.Ю. // Катализ в промышленности. 2005. Т.1. С. 25—34. [Menshchikov V.A., Sinev M.Yu. Kataliz v Promyshlennosti (Catalysis in Industry). 2005. V. 1. P. 25—34 (in Russian)].

28. Ito T., Lunsford J.H. // Nature. 1985. V. 314. P. 721—722.

29. Ji S.F., Xiao T.C., Li S.B., Xu C.Z., Hou R.L., Coleman K.S., Green M.L.H. // Appl. Catal. A. 2002. V. 225. P. 271—284.

30. Zeng Y., Akin F.T., Lin Y.S. // Appl. Catal. A. 2001. V. 213. P. 33—45.

31. Пат. РФ 2412143; опубл. 2011 [RU Patent 2412143, 2011].

32. Пат. РФ 2341507; опубл. 2008 [RU Patent 2341507, 2008].

33. Elkins T.W., Neumann B., Baumer M., Hagelin-Weaver H.E. // ACS Catal. 2014. V. 4. P. 1972—1990.

34. Mirodatos C., Perrichon V., Durupty M. C., Moral P. // Stud. Surf. Sci. Catal. 1987. V. 34. P. 183—195.

35. Arndt S., Simon U., Heitz S., Berthold A., Beck B., Görke O., Epping J.D., Otremba T., Aksu Y., Irran E., Laugel G., Driess M., Schubert H., Schomäcker R. // Top. Catal. 2011. V. 54. P.1266—1285.

36. Branco J.B., Ferreira A.C., Botelho do Rego A.M., Ferraria A.M., Almeida-Gasche T. // ACS Catal. 2012. V. 2. P. 2482—2489.

37. Gordienko Y., Usmanov T., Bychkov V., Lomonosov V., Fattakhova Z., Tulenin Y., Shashkin D., Sinev M. // Catal. Today. 2016. V. 278. P. 127—134. http://dx.doi.org/10.1016/j.cattod.2016.04.021.

38. Махлин В.А., Магомедова М.В. // Химическая промышленность сегодня. 2011. Т. 11. С. 9—13. [Makhlin V.A., Magomedova M.V. Khimicheskaya Promyshlennost Segodnya. 2011. V. 11. P. 9—13 (in Russian)].

39. Belgued M., Pareja P., Amariglio A., Amariglio H. // Nature. 1991. V. 352. P. 789—790.

40. Koerts T., van Santen R.A. // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1991. P. 1281—1283.

41. Amariglio H., Saint-Just J., Amariglio A. // Fuel Process. Technol. 1995. V. 42. P. 291—323.

42. Pareja В. P., Amariglio A., Belgued M., Amariglio H. // Catal. Today. 1994. V. 21. P. 423—430.

43. Amariglio H., Pareja P., Amariglio A. // Catal. Today. 1995. V. 25. P. 113—125.

44. Belgued M., Amariglio A., Pareja P., Amariglio H. // J. Catal. 1996. V. 159. P. 441—448.

45. Belgued M., Amariglio A., Pareja P., Amariglio H. // J. Catal. 1996. V. 159. P. 449—457.

46. Belgued M., Amariglio A., Lefort L., Pareja P., Amariglio H. // J. Catal. 1996. V. 161. P. 282—292.

47. Xu Y.D., Bao X.H., Lin L.W. // J. Catal. 2003. V. 216. P. 386—395.

48. Marceau E., Tatibouet J-M., Che M., Saint-Just J. // J. Catal. 1999. V. 183. P. 384—395.

49. Guczi L., Sarma K.V., Borko L. // Catal. Lett. 1996. V. 39. P. 43—47.

50. Soulivong D., Norsic S., Taoufik M., Coperet C., Thivolle-Cazat J., Chakka S., Basset J.M. // J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 130. P. 5044—5045.

51. Basset J.M., Coperet C., Soulivong D., Taoufik M., Thivolle-Cazat J. // Accounts Chem. Res. 2010. V. 43, P. 2323—2334.

52. Kurosaka T., Matsuhashi H., Arata K. // J. Catal. 1998. V. 179. P. 28—35.

53. Пат. РФ 2224734; опубл. 2004 [RU patent 2224734, 2004].

54. Guo X.G., Fang G.Z., Li G., Ma H., Fan H.J., Yu L., Ma C., Wu X., Deng D.H., Wei M.M., Tan D.L., Si R., Zhang S., Li J.Q., Sun L.T., Tang Z.C., Pan X.L., Bao X.H. // Science. 2014. V. 344. P. 616—619.

55. Burnett R.L., Hughes T.R. // J. Catal. 1973. V. 31. P. 55—64.

56. Goldman A.S., Roy A.H., Huang Z., Ahuja R., Schinski W., Brookhart M. // Science. 2006. V. 312. P. 257—261.

57. WO патент № 2002000578, опубл. 2001 [WO patent 2002000578, 2001].

58. Quignard F., Lecuyer C., Choplin A., Olivier D., Basset J.-M. // J. Mol. Catal. 1992. V. 74. P. 353-363.

59. Vidal V., Theolier A., Thivolle-Cazat, J., Basset J. M., Corker J. // J. Am. Chem. Soc. 1996. V. 118. P. 4595—4602.

60. Soignier S., Taoufik M., Le Roux E., Saggio G., Dablemont C., Baudouin A., Lefebvre F., De Mallmann A., Thivolle-Cazat J., Basset J.-M., Sunley G., Maunders B.M. // Organometallics. 2006. V. 25. P. 1569—1577.

61. Taoufik M., Le Roux E., Thivolle-Cazat J., Coperet C., Basset J.M., Maunders B., Sunley G.J. // Top. Catal. 2006. V. 40. P. 65—70.

62. Basset J.M., Coperet C., Lefort L., Maunders B.M., Maury O., Le Roux E., Saggio G., Soignier S., Soulivong D., Sunley G.J., Taoufik M., Thivolle-Cazat J. // J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. P. 8604—8605.

63. Thieuleux C., Quadrelli E.A., Basset J.M., Döbler J., Sauer J. // Chem. Commun. 2004. P. 1729—1731.

64. Soulivong D., Coperet C., Thivolle-Cazat J., Basset J.-M., Maunders B.M., Pardy R.B.A., Sunley G.J. // Angew. Chem., Int. Ed. 2004. V. 43. P. 5366—5369.

65. Chemical Engineering Progress. Jan 2005. V. 101. № 1. P. 14.

66. Wang D., Lunsford J.H., Rosynek M.P. // J. Catal. 1997. V. 169. P. 347—358.

67. Брагин О.В., Васина Т.В., Преображенский А.В., Миначев Х.М. // Изв. Акад. Наук СССР, сер. Хим. 1989. Т. 3. С. 750—751 [Bragin O.V., Vasina T.V., Preobrazhenskii A.V., Minachev H.M. Izvestiya Akademii Nauk SSSR, seriya Khimicheskaya. 1989. V. 3. P. 750—751 (in Russian)].

68. Zhang C. L., Li S.A., Yuan Y., Zhang W.X., Wu T.H., Lin L.W. // Catal. Lett. 1998. V. 56. P. 207—213.

69. Liu S.T., Wang L., Ohnishi R., Ichikawa M. // J. Catal. 1999. V. 181. P. 175—188.

70. Ismagilov Z.R., Matus E.V., Tsikoza L.T. // Energy & Environmental Science. 2008. V. 1, № 5. P. 526-541.

71. Xu Y., Bao X., Lin L. // J. Catal. 2003. V. 216. P. 386—395.

72. Bouchy C., Schmidt I., Anderson J.R., Jacobsen C.J.H., Derouane E.G., Derouane-Abd Hamid S.B. // J. Mol. Cat. A. 2000. V. 163. P. 283-296.

73. Derouane-Abd Hamid S.B., Anderson J.R., Schmidt I., Bouchy C., Jacobsen C.J.H., Derouane E.G. // Catal. Today. 2000. V. 63. P. 461-469.

74. США патент № 6426442, опубл. 2002 [US Patent 6426442, 2002].

75. Ohnishi R., Liu S., Dong Q., Wang L., Ichikawa M. // J. Catal. 1999. V. 182. P. 92—103.

76. Пат. РФ 2408425; опубл. 2011 [RU Patent 2408425, 2011].

77. Gao J., Zheng Y., Tang Y., Jehng J.-M., Grybos R., Handzlik J., Wachs I.E., Podkolzin S.G. // ACS Catal. 2015. V. 5. P. 3078—3092.

78. Пат. РФ 2448079; опубл. 2012 [RU patent 2448079, 2012].

79. Honda K., Yoshida T., Zhang Z.G. // Catal. Commun. 2003. V. 4. P. 21—26.

80. Пат. РФ 2400464; опубл. 2010 [RU patent 2400464, 2010].

81. Пат. РФ 2417974; опубл. 2011 [RU patent 2417974, 2011.

82. Anunziata O. A., Eimer G.A., Pierella L.B. // Appl. Catal. A. 2000. V. 190 P. 169—176.

83. Anunziata O.A., Gonzalez Mercado G.V., Pierella L.B. // Catal. Letters. 2003. V. 87. №. 3—4. P. 167—171.

84. Echevsky G.V., Kodenev E.G., Kikhtyanin O.V., Parmon V.N. / Appl. Catal. A. 2004. V. 258. P. 159—171.

85. Пат. РФ 2227793; опубл. 2006 [RU patent 2227793, 2006].

86. Anunziata O.A., Gonzalez Mercado G. // Catal. Lett. 2006. V. 107. №. 1—2. pp. 111-116.

87. Luzgin M.V., Rogov V.A., Arzumanov S.S., Toktarev A.V., Stepanov A.G., Parmon V.N. // Angew. Chem. Int. Ed. 2008. V. 47. P. 4559—4562.

88. Baba T., Abe Yo. // Appl. Catal. A. 2003. V. 250. P. 265—270.

89. Choudhary V.R., Mondal K.C., Mulla S.A.R. // Angew. Chem. 2005. V. 117. P. 4455 —4459.

90. Majhi S., Mohanty P., Dalai A.K., Pant K.K. // Energy Technol. 2013. V. 1. P. 157—165.

91. «Chemical Economic Handbook. Methanol (674.5000)». HIS Chemical. May 2014, by P. Sriram, M. Nash, O. Maronneaud.

92. De Klerk A. // Energy Sci. Engineering. 2015. V. 3. №. 1. P. 60—70.

93. Da Silva M.J. // Fuel Process. Technol. 2016. V. 145. P. 42—61.

94. Zhang X., He D., Zhang Q., Xu B., Zhu Q. // Top. Catal. 2005. V. 32. P. 215—223.

95. Chun J.-W., Anthony R.G. // Ind. Eng. Chem. Res. 1993. V. 32. P. 259-263.

96. Mansouri S., Benlounes O., Rabia C., Thouvenot R., Bettahar M.M., Hocine S. // J. Mol. Catal. A. 2013. V. 379. P. 255—262.

97. Michalkiewicz B. // Appl. Catal. A. 2004. V. 277. P. 147—153.

98. Smeets P.J., Hadt R.G., Woertink J.S., Vanelderen P., Schoonheydt R.A., Sels B.F., Solomon E.I. // J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. P. 14736—14738.

99. Anderson J. R., Tsai P. // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1987. P. 1435—1436.

100. Wallar B.J., Lipscomb J.D. // Chem. Rev. 1996. V. 96. P. 2625— 2657.

101. Xu J., Zheng A.M., Wang X.M., Qi G.D., Su J.H., Du J.F., Gan Z.H., Wu J.F., Wang W., Deng F. // Chem. Sci. 2012. V. 3. P. 2932—2940.

102. Wang X.M., Qi G.D., Xu J., Li B.J., Wang C., Deng F. // Angew. Chem., Int. Ed. 2012. V. 51. P. 3850—3853.

103. Starokon E.V., Parfenov M.V., Arzumanov S.S., Pirutko L.V., Stepanov A.G., Panov G.I. // J. Catal. 2013. V. 300. P. 47—54.

104. Hammond C., Forde M.M., Ab Rahim M.H., Thetford A., He Q., Jenkins R.L., Dimitratos N., Lopez-Sanchez J.A., Dummer N.F., Murphy D.M., Carley A.F., Taylor S.H., Willock D.J., Stangland E.E., Kang J., Hagen H., Kiely C.J., Hutchings G.J. // Angew. Chem., Int. Ed. 2012. V. 51. P. 5129—5133.

105. Гольдшлегер Н.Ф., Еськова В.В., Шилов А.Е., Штейнман А.А. // ЖФХ. 1972. Т. 46. № 5. С. 1353—1354 [Goldshleger N.F., Eskova V.V., Shilov A.E., Skteinman A.A. Zhurnal Fizicheskoi Khimii. V. 46. No. 5. P. 1353—1354 (in Russian)].

106. Periana R.A., Taube D.J., Evitt E.R., Loffler G., Wentreck P.R., Voss G., Masuda T. // Science. 1993. V. 259. P. 340-343.

107. Periana R.A., Taube D.J., Gamble S., Taube H., Satoh T., Fujii H. // Science. 1998. V. 280. P. 560-564.

108. Семенов Н.Н. Цепные реакции. Госхимиздат, 1934.

109. Bibb C.H. USA Patent 1392886. 1921.

110. Bibb C.H., Lucas H.J. // Ind. Eng. Chem. 1929. V. 21. P. 633—638

111. Holm M.M., Reichl E.H. // FIAT Rept. 1947. № 1085.

112. Гудков С.Ф., Федулова В.П. // Газовая промышленность. 1957. № 9. C. 32.

113. Bafas I.C., Constantinou I.E., Vayenas C.G. // Chem. Eng. J. 2001. V. 82. P. 109-115.

114. Боброва И.И., Бобров Н.Н., Симонова Л.Г., Пармон В.Н. // Кинетика и катализ. 2007. Т. 48. №. 5. С. 722—740 [Bobrova I.I., Bobrov N.N., Simonova L.G., Parmon V.N. Kinet. Catal. 2007. V. 48. № 5. P. 676—692].

115. Banares M.A., Alemany L.J., Lopez Granados M., Faraldos M., Fierro J.L.G. // Catal. Today. 1997. V. 33. P. 73-83.

116. De Lucas A., Valverde J.L., Rodriguez L., Sanchez P., Garcia M.T. // Appl. Catal. A. 2000. V. 203. P. 81—90.

117. Lou Y., Tang Q., Wang H., Chia B., Wang Y., Yang Y. // Appl. Catal. A. 2008. V. 350. P. 118—125.

118. Zhang Q., He D., Han Z., Zhang X., Zhu Q. // Fuel. 2002. V. 81. P. 1599-1603.

119. Zhang X., He D., Zhang Q., Ye Q., Xu B., Zhu Q. // Appl. Catal. A. 2003. V. 249. P. 107—117.

120. Du G., Lim S., Yang Y., Wang C., Pfefferle L., Haller G.L. // Appl. Catal. A. 2006. V. 302. P. 48—61.

121. Berndt H., Martin A., Bruckner A., Schreier E., Muller D., Kosslick H., Wolf G.-U., Lucke B. // J. Catal. 2000. V. 191. P. 384—400.

122. Pirovano C., Schönborn E., Wohlrab S., Kalevaru V. N., Martin A. // Catal.Today. 2012. V. 192. P. 20— 27.

123. Pei S., Yue B., Qian L., Yan S., Cheng J., Zhou Y., Xie S., He H. // Appl. Catal. A. 2007. V. 329. P. 148—155.

124. Fornés V., López C., López H.H., Martınez A. // Appl. Catal. A. 2003. V. 249. P. 345—354.

125. Polniser R., Stolcová M., Hronec M., Mikula M. // Appl. Catal. A. 2011. V. 400. P. 122—130.

126. Wang Y., Wang X., Su Z., Guo Q., Tang Q., Zhang Q., Wan H. // Catal. Today. 2004. V. 93—95. P. 155—161.

127. Arena F., Gatti G., Coluccia S., Martra G., Parmaliana A. // Stud. Surf. Sci. Catal. 2004. V. 147. P. 535-540.

128. He J., Li Y., An D., Zhang Q., Wang Y. // J. Natural Gas Chem. 2009. V. 18. P. 288—294.

129. Arena F., Gatti G., Coluccia S., Martra G., Parmaliana A. // Catal. Today. 2004. V. 91—92. P. 305—309.

130. Arena F., Gatti G., Martra G., Coluccia S., Stievano L., Spadaro L., Famulari P., Parmaliana A. // J. Catal. 2005. V. 231. P. 365—380.

131. Zhang Q., Li Y., An D., Wang Y. // Appl. Catal. A. 2009. V. 356. P. 103—111.

132. Zhang H., Ying P., Zhang J., Liang C., Feng Z., Li C. // Stud. Surf. Sci. Catal. 2004. V. 147. P. 547-552.

133. Zhang H., Sun K., Feng Z., Ying P., Li C. // Appl. Catal. A. 2006. V. 305. P. 110—119.

134. Ohler N., Bell A.T. // J. Catal. 2005. V. 231. P. 115—130.

135. Parmaliana A., Arena F., Frusteri F., Martınez-Arias A., López Granados M., Fierro J.L.G. // Appl. Catal. A. 2002. V. 226. P. 163—174.

136. Wang X.X., Lin B.M., Yang W., Guo Q., Zhang Q.H., Wang Y. // Acta Chim. Sin. 2004. V. 62. P. 1738—1744.

137. Łojewska J., Zrałka B., Makowski W., Dziembaj R. // Catal. Today. 2005. V. 101. P. 73—80.

138. Zerella M., Bell A.T. // J. Mol. Cat. A. 2006. V. 259. P. 296-301.

139. Чепайкин Е.Г., Безрученко А.П., Лещева А.А., Григорян А.А. // ДАН. 2000. Т. 373. С. 66—68 [Chepaikin E.G., Bezruchenko A.P., Leshcheva A.A., Grigoryan E.A. Doklady Akademii Nauk. 2000. V. 373. P. 66—68].

140. Чепайкин Е.Г., Безрученко А.П., Лещева А.А. // Кинетика и катализ. 2002. Т. 43. № 4. С. 550—557 [Chepaikin E.G., Bezruchenko A.P., Leshcheva A.A. Kinet. Catal. 2002. V. 43. No. 4. P. 507—513].

141. Wang Y., Yuan Q., Zhang Q., Deng W. // J. Phys. Chem. C, 2007. V. 111. P. 2044—2053.

142. Volkov S.V., Kosmambetova G.R., Kharkova L.B., Shvets O.V., Yanko O.G., Gritsenko V.I., Strizhak P.E. // J. Natural Gas Chem. 2009. V. 18. P. 399—406.

143. Wang X., Qi G., Xu J., Li B., Wang C., Feng Deng. // Angew. Chem. Int. Ed. 2012. V. 51. P. 3850 —3853.

144. Kosmambetova G.R., Strizhak P.E., Gritsenko V.I., Volkov S.V., Kharkova L.B., Yanko O.G., Korduban O.M. // J. Natural Gas Chem. 2008. V. 17. P. 1—7.