Сорбционно-каталитическая паровая конверсия СО на механической смеси Pt/Ce0,75Zr0,25O2 катализатора и NaNO3/MgO сорбента

В работе представлены результаты исследования сорбционно-каталитической паровой конверсии СО с использованием механической смеси гранул катализатора 5 мас.% Pt/Ce0,75Zr0,25O2 и сорбента 10 мол.% NaNO3/MgO. В модельных условиях показано, что исходный оксид магния почти не сорбирует СО2, в то время как его промотирование NaNO3 приводит к значительному росту сорбционной динамической емкости в диапазоне температур 300–350 °С с максимумом при 320 °С. Для модельной смеси (CO – 11,6; H2 – 61; H2O – 27,4 об.%) продемонстрированы высокая активность и селективность катализатора в паровой конверсии СО: концентрация СО на выходе из реактора не превышала 1 об.% в диапазоне температур 220–400 °С (минимум – 0,3 об.% при 240 °С), СН4 – при температурах ниже 320 °С (0,61 об.% в этой точке). Использование сорбента в смеси с катализатором в сорбционно-каталитической паровой конверсии СО при 320 °С привело к значительному снижению его сорбционной емкости, что, вероятно, связано с превращением всего NaNO3 в Na2CO3, который не полностью разлагался на стадии регенерации. Тем не менее это позволило вдвое снизить выходные концентрации СО и СН4 по сравнению с наблюдаемыми при этой температуре в эксперименте без сорбента: в частности, в середине первого цикла адсорбции они составляли 6,1·10–4 и 8,2·10–2 об.%, соответственно, в пересчете на сухой газ. Таким образом, продемонстрированы перспективность подхода к проведению сорбционно-каталитической паровой конверсии СО и необходимость дальнейших исследований по повышению емкости и стабильности представленного типа сорбентов.

1. The Fuel Cell Industry Review. 2019. E4Tech. URL: https://fuelcellindustryreview.com/archive/TheFuelCellIndustryReview2019.pdf.

2. Apostolou D.; Xydis G. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2019. Vol. 113. Article 109292. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109292.

3. Пинаева Л.Г., Носков А.С. // Катализ в промышленности. 2021. Т. 21. № 5. С. 308–330. DOI: 10.18412/1816-0387-2021-5-308-330

4. Wu Y.-J., Li P., Yu J.-G., Cunha A.F., Rodrigues A.E. // Rev. Chem. Eng. 2016. Vol. 32. P. 271–303.

5. Buelens L.C., Galvita V.V., Poelman H., Detavernier C., Marin G.B. // Science. 2016. Vol. 354. P. 449–452. DOI: 10.1126/science.aah7161.

6. Poelman H., Galvita V.V. // Catalysts. 2021. Vol. 11, No. 2, 266. DOI: 10.3390/catal11020266.

7. Liu M., Vogt C., Chaffee A.L., Chang S.L.Y. // 2013. J. Phys. Chem. C. Vol. 117. P. 17514–17520.

8. Wang J., Huang L., Yang R., Zhang Z., Wu J., Gao Y., Wang Q., O’Hare D., Zhong Z. // Energy Environ. Sci. 2014. Vol. 7. P. 3478–3518.

9. Hu Y., Guo Y., Sun J., Li H., Liu W. // J. Mater. Chem. A. 2019. Vol. 7. P. 20103–20120.

10. Mutch G.A., Shulda S., McCue A.J., Menart M.J., Ciobanu C.V., Ngo C., Anderson J.A., Richards R.M., Vega-Maza D. // J. Am. Chem. Soc. 2018. Vol. 140. P. 4736–4742.

11. Hu J., Zhu K., Chen L., Kübel C., Richards R. // J. Phys. Chem. C. 2007. Vol. 111. P. 12038–12044.

12. Ueda W., Yokoyama T., Moro-Oka Y., Ikawa T. // Chem. Lett. 1985. Vol. 14. P. 1059–1062.

13. Boon J., Coenen K., van Dijk E., Cobden P., Gallucci F., van Sint Annaland M. // Advances in Chemical Engineering. 1st ed. Elsevier Inc., 2017. Vol. 51. P. 1–96.

14. Lee C.H., Lee K.B. // Appl. Energy. 2017. Vol. 205. P. 316–322. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.07.119.

15. Li Y., Kottwitz M., Vincent J.L., Enright M.J., Liu Z., Zhang L., Huang J., Senanayake S.D., Yang W.C.D., Crozier P.A., Nuzzo R.G., Frenkel A.I. // Nat. Commun. 2021. Vol. 12. Article 914. P. 1–9.

16. Gorlova A.M., Simonov P.A., Stonkus O.A., Pakharukova V.P., Snytnikov P.V., Potemkin D.I. // Kinet. Catal. 2021. Vol. 62. P. 812–819.

17. Yuan K., Sun X.-C., Yin H.-J., Zhou L., Liu H.-C., Yan C.-H., Zhang Y.-W. // J. Energy Chem. 2022. Vol. 67. P. 241–249.

18. Panagiotopoulou P., Papavasiliou J., Avgouropoulos G., Ioannides T., Kondarides D.I. // Chem. Eng. J. 2007. Vol. 134. P. 16–22.

19. Harada T., Simeon F., Hamad E.Z, Hatton T.A. // Chem. Mater. 2015. Vol. 27, No. 6. P. 1943–1949. DOI: 10.1021/cm503295g.

20. Shkatulov A.I., Kim S.T., Miura H., Kato Y., Aristov Yu.I. // Energy Convers. Manage. 2019. Vol. 185. P. 473–481.

21. Park E.D., Lee D., Lee H.C. // Catal. Today. 2009. Vol. 139. P. 280–290.

22. Gao W., Vasiliades M.A., Damaskinos C.M., Zhao M., Fan W., Wang Q., Reina T.R., Efstathiou A.M. // Environ. Sci. Technol. 2021. Vol. 55. P. 4513–4521.