1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 59, № 7, 2023

Неорганические материалы, 2023, T. 59, № 7, стр. 759-765

Исследование парового риформинга метанола на металл-углеродных катализаторах с различными углеродными носителями

Е. Ю. Миронова 1, *, А. А. Пайен-Лыткина 1, М. М. Ермилова 1, Н. В. Орехова 1, Н. А. Жиляева 1, М. Н. Ефимов 1, А. А. Васильев 1, И. А. Стенина 2, А. Б. Ярославцев 1, 2, **

1 Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук
119991 Москва, Ленинский пр., 29, Россия

2 Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук
119991 Москва, Ленинский пр., 31, Россия

* E-mail: palukas@ips.ac.ru
** E-mail: yaroslav@igic.ras.ru

Поступила в редакцию 26.05.2023
После доработки 19.06.2023
Принята к публикации 20.06.2023

Аннотация

Изучены катализаторы на углеродных носителях на основе ИК-пиролизованного хитозана и детонационных наноалмазов (ДНА), содержащие Cu и Zn или Ni, в процессе паровой конверсии метанола. Все исследованные образцы показали достаточно высокую активность в данном процессе и стабильность в течение 30 ч непрерывной работы. Показано преимущество катализаторов на основе ДНА, причиной чего, видимо, является их более развитая поверхность и природа присутствующих на ней функциональных групп. Показана взаимосвязь между активностью биметаллических катализаторов и природой носителя.

Ключевые слова: паровая конверсия метанола, углеродные носители, хитозан, детонационные наноалмазы

Список литературы

  1. Zhang X. The Development Trend of and Suggestions for China’s Hydrogen Energy Industry // Engineering. 2021. V. 7. P. 719–721. https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.04.012

  2. Cuevas F., Zhang J., Latroche M. The Vision of France, Germany, and the European Union on Future Hydrogen Energy Research and Innovation // Engineering. 2021. V. 7. P. 715–718. https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.04.010

  3. Filippov S.P., Yaroslavtsev A.B. Hydrogen Energy: Development Prospects and Materials // Russ. Chem. Rev. 2021. V. 90. № 6. P. 627–643. https://doi.org/10.1070/RCR5014

  4. Pollet B.G., Kocha S.S., Staffell I. Current Status of Automotive Fuel Cells for Sustainable Transport // Curr. Opin. Electrochem. 2019. V. 16. P. 90–95. https://doi.org/10.1016/j.coelec.2019.04.021

  5. Hren M., Bozic M., Fakin D., Kleinschek K.S., Gorgieva S. Alkaline Membrane Fuel Cells: Anion Exchange Membranes and Fuels // Sustain. Energy Fuels. 2021. V. 5. P. 604–637. https://doi.org/10.1039/D0SE01373K

  6. Fan L., Tu Z., Chan S.H. Recent Development in Design a State-of-art Proton Exchange Membrane Fuel Cell from Stack to System: Theory, Integration and Prospective // Int. J. Hydrogen Energy. 2023. V. 48. P. 7828–7865. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.11.212

  7. Sazali N., Salleh W.N.W., Jamaludin A.S., Razali M.N.M. New Perspectives on Fuel Cell Technology: A Brief Review // Membranes. 2020. V. 10. P. 99. https://doi.org/10.3390/membranes10050099

  8. Peng X., Kulkarni D., Huang Y., Omasta T.J., Ng B., Zheng Y., Wang L., Lamanna J.M., Hussey D.S., Varcoe J.R., Zenyuk I.V., Mustain W.E. Using Operando Techniques to Understand and Design High Performance and Stable Alkaline Membrane Fuel Cells // Nat. Commun. 2020. P. 3561. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17370-7

  9. Thangarasu S., Oh T.H. Progress in Poly(Phenylene Oxide) Based Cation Exchange Membranes for Fuel Cells and Redox Flow Batteries Applications // Int. J. Hydrog. Energy. 2021. V. 46. P. 38381–38415. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.09.081

  10. Kasyanova A.V., Rudenko A.O., Lyagaeva Y.G., Medvedev D.A. Lanthanum-Containing Proton-Conducting Electrolytes with Perovskite Structures // Membr. Membr. Technol. 2021. V. 3. P. 73–97. https://doi.org/10.1134/S2517751621020050

  11. Belenov S., Pavlets A., Paperzh K., Mauer D., Menshikov V., Alekseenko A., Pankov I., Tolstunov M., Guterman V. The PtM/C (M = Co, Ni, Cu, Ru) Electrocatalysts: Their Synthesis, Structure, Activity in the Oxygen Reduction and Methanol Oxidation Reactions, and Durability // Catalysts. 2023. V. 13. P. 243. https://doi.org/10.3390/catal13020243

  12. Gerasimova I., Belenov S., Lyanguzov N., Pankov I., Tolstunov M., Pavlets A. Role of the Potential Range during Stress Testing of Platinum-Containing Electrocatalysts at Elevated Temperature // Catalysts. 2022. V. 12. P. 1179. https://doi.org/10.3390/catal12101179

  13. Апель П.Ю., Велизаров С., Волков А.В., Елисеева Т.В., Никоненко В.В., Паршина А.В., Письменская Н.Д., Попов К.И., Ярославцев А.Б. Фаулинг и деградация мембран в мембранных процессах // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 2. С. 81–106. https://doi.org/10.1134/S2218117222020031

  14. Parra D., Valverde L., Pino F.J., Patel M.K. A Review on the Role, Cost and Value of Hydrogen Energy Systems for Deep Decarbonisation // Renew. Sust. Energ. Rev. 2019. V. 101. P. 279–294. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.11.010

  15. Алентьев А.Ю., Волков А.В., Воротынцев И.В., Максимов А.Л., Ярославцев А.Б. Мембранные технологии для декарбонизации // Мембраны и мембранные технологии. 2021. Т. 11. № 5. С. 283–303. https://doi.org/10.1134/S2218117221050023

  16. Chen L., Qi Z., Zhang S., Su J., Somorjai G.A. Catalytic Hydrogen Production from Methane: A Review on Recent Progress and Prospect // Catalysts. 2020. V. 10. P. 858. https://doi.org/10.3390/catal10080858

  17. Soltani S.M., Lahiri A., Bahzad H., Clough P., Gorbounov M., Yan Y. Sorption-enhanced Steam Methane Reforming for Combined CO2 Capture and Hydrogen Production: A State-of-the-Art Review // Carbon Capture Sci. Technol. 2021. V. 1. P. 100003. https://doi.org/10.1016/j.ccst.2021.100003

  18. Fedotov A.S., Tsodikov M.V., Yaroslavtsev A.B. Hydrogen Production in Catalytic Membrane Reactors Based on Porous Ceramic Converters // Processes. 2022. V. 10. P. 2060. https://doi.org/10.3390/pr10102060

  19. Osman A.I. Catalytic Hydrogen Production from Methane Partial Oxidation: Mechanism and Kinetic Study // Chem. Eng. Technol. 2020. V. 43. № 4. P. 641–648. https://doi.org/10.1002/ceat.201900339

  20. Li L., Dostagir N.H.M.D., Shrotri A., Fukuoka A., Kobayashi H. Partial Oxidation of Methane to Syngas via Formate Intermediate Found for a Ruthenium–Rhenium Bimetallic Catalyst // ACS Catal. 2021. V. 11. № 7. P. 3782–3789. https://doi.org/10.1021/acscatal.0c05491

  21. Kumar S.S., Himabindu V. Hydrogen Production by PEM Water Electrolysis – A Review // Mater. Sci. Technol. 2019. V. 2. № 3. P. 442–454. https://doi.org/10.1016/j.mset.2019.03.002

  22. Kayfeci M., Kecebas A., Bayat M. Hydrogen Production // Solar Hydrogen Production: Processes, Systems and Technologies / Eds Calise F. et al. N.Y.: Elsevier, 2019. P. 45–83. https://doi.org/10.1016/C2017-0-02289-9

  23. Rivard E., Trudeau M., Zaghi K. Hydrogen Storage for Mobility: A Review // Materials. 2019. V. 12. P. 1973. https://doi.org/10.3390/ma12121973

  24. Xu X., Liu E., Zhu N., Liu F., Qian F. Review of the Current Status of Ammonia-Blended Hydrogen Fuel Engine Development // Energies. 2022. V. 15. P. 1023. https://doi.org/10.3390/en15031023

  25. Chen X., Gierlich C.H., Schötz S., Blaumeiser D., Bauer T., Libuda J., Palkovits R. Hydrogen Production Based on Liquid Organic Hydrogen Carriers through Sulfur Doped Platinum Catalysts Supported on TiO2 // ACS Sustain. Chem. Eng. 2021. V. 9. № 19. P. 6561–6573. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c09048

  26. Stenina I., Yaroslavtsev A. Modern Technologies of Hydrogen Production // Processes. 2023. V. 11. P. 56. https://doi.org/10.3390/pr11010056

  27. Kumar A., Daw P., Milstein D. Homogeneous Catalysis for Sustainable Energy: Hydrogen and Methanol Economies Fuels from Biomass, and Related Topics // Chem. Rev. 2022. V. 122. № 1. P. 385–441. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00412

  28. Lytkina A.A., Orekhova N.V., Yaroslavtsev A.B. Catalysts for the Steam Reforming and Electrochemical Oxidation of Methanol // Inorg. Mater. 2018. V. 54. P. 1315–1329. https://doi.org/10.1134/S0020168518130034

  29. Ranjekar A.M., Yadav G.D. Steam Reforming of Methanol for Hydrogen Production: A Critical Analysis of Catalysis, Processes, and Scope // Ind. Eng. Chem. Res. 2021. V. 60. P. 89–113. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c05041

  30. Chen L., Qi Z., Peng X., Chen J.-L., Pao C.-W., Zhang X., Dun C., Young M., Prendergast D., Urban J.J., Guo J., Somorjai G.A., Su J. Insights into the Mechanism of Methanol Steam Reforming Tandem Reaction over CeO2 Supported Single-Site Catalysts // J. Am. Chem. Soc. 2021. V. 143. № 31. P. 12074–12081. https://doi.org/10.1021/jacs.1c03895

  31. Lytkina-Payen A., Tabachkova N., Yaroslavtsev A. Methanol Steam Reforming on Bimetallic Catalysts Based on In and Nb Doped Titania or Zirconia: A Support Effect // Processes. 2022. V. 10. P. 19. https://doi.org/10.3390/pr10010019

  32. Rostami M., Farajollahi A.H., Amirkhani R., Farshchi M.E. A Review Study on Methanol Steam Reforming Catalysts: Evaluation of the Catalytic Performance, Characterizations, and Operational Parameters // AIP Adv. 2023. V. 13. P. 030701. https://doi.org/10.1063/5.0137706

  33. Миронова Е.Ю., Ермилова М.М., Ефимов М.Н., Земцов Л.М., Орехова Н.В., Карпачева Г.П., Бондаренко Г.Н., Жиляева Н.А., Муравьев Д.Н., Ярославцев А.Б. Детонационные наноалмазы как катализаторы парового риформинга этанола // Изв. РАН. Сер. хим. 2013. № 11. С. 2317–2321.

  34. Yaroslavtsev A.B., Stenina I.A. Carbon Coating of Electrode Materials for Lithium-Ion Batteries // Surf. Innovat. 2021. V. 9. № 2–3. P. 92–110. https://doi.org/10.1680/jsuin.20.00044

  35. Муратов Д.Г., Дзидзигури Э.Л., Земцов Л.М., Карпачева Г.П., Ефимов М.Н., Кириллова М.Н. Формирование наночастиц интерметаллидов FeCo в структуре металлоуглеродных нанокомпозитов Fe-Co/C // Российские нанотехнологии. 2015. Т. 10. № 9–10. С. 83–89.

  36. Kaczmarek H., Zawadzki J. Chitosan Pyrolysis and Adsorption Properties of Chitosan and Its Carbonizate // Carbohydr. Res. 2010. V. 345. P. 941–937. https://doi.org/10.1016/j.carres.2010.02.024

  37. Sivaramakrishna D., Bhuvanachandra B., Mallakuntla M.K., Das S.N., Ramakrishna B., Podile A.R. Pretreatment with KOH and KOH-Urea Enhanced Hydrolysis of α-chitin by an Endo-Chitinase from Enterobacter Cloacae Subsp. Cloacae // Carbohydr. Polym. 2020. V. 235. P. 115952. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.115952

  38. Shamshina J.L., Berton Paula, Rogers R.D. Advances in Functional Chitin Materials: A Review // ACS Sustain. Chem. Eng. 2019. V. 7. P. 6444–6457. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b06372

  39. Gal M.R., Rahmaninia M., Hubbe M.A. A Comprehensive Review of Chitosan Applications in Paper Science and Technologies // Carbohydr. Polym. 2023. V. 309. P. 120665. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120665

  40. Al-Rooqi M.M., Hassan M.M., Moussa Z., Obaid R.J., Suman N.H., Wagner M.H., Natto S.S.A., Ahmed S.A. Advancement of Chitin and Chitosan as Promising Biomaterials // J. Saudi Chem. Soc. 2022. V. 26. P. 101561.

  41. Yan X., Liu Z., Diao M., Zhang T. Effect of Molecular Weight of Chitosan on Properties of Chitosan-Zn Nanoparticles // Food Bioscience. 2022. V. 50. P. 102206. https://doi.org/10.1016/j.jscs.2022.101561

  42. Fan S., Fan X., Wang S., Li B., Zhou N., Xu H. Effect of Chitosan Modification on the Properties of Magnetic Porous Biochar and Its Adsorption Performance towards Tetracycline and Cu2+ // Sustain. Chem. Pharm. 2023. V. 33. P. 101057. https://doi.org/10.1016/j.scp.2023.101057

  43. Zhao W., Shanjian L., Yin M., He Z., Bi Di. Co-pyrolysis of Cellulose with Urea and Chitosan to Produce Nitrogen-Containing Compounds and Nitrogen-Doped Biochar: Product Distribution Characteristics and Reaction Path Analysis // J. Anal. Appl. Pyrol. 2023. V. 169. P. 105795. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2022.105795

  44. Vasilev A., Efimov M., Bondarenko G., Kozlov V., Dzidziguri E., Karpacheva G. Thermal Behavior of Chitosan as a Carbon Material Precursor under IR Radiation // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019. V. 693. P. 012002. https://doi.org/10.1088/1757-899X/693/1/012002

  45. Биндюг Д.В., Васильев А.А., Дзидзигури Э.Л., Ефимов М.Н., Карпачева Г.П. Влияние исходного содержания металлов на формирование наночастиц твердого раствора Fe–Co в ИК-пиролизованной матрице хитозана // Журн. общ. химии. 2021. Т. 91. № 1. С. 149–156. https://doi.org/10.31857/S0044460X21010169

  46. Vasilev A.A., Efimov M.N., Bondarenko G.N., Muratov D.G., Dzidziguri E.L., Ivantsov M.I., Kulikova M.V., Karpacheva G.P. Fe-Co Alloy Nanoparticles Supported on IR Pyrolyzed Chitosan as Catalyst for Fischer-Tropsch Synthesis // Chem. Phys. Lett. 2019. V. 730. P. 8–13. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2019.05.034

  47. Mironova E.Yu., Ermilova M.M., Orekhova N.V., Muraviev D.N., Yaroslavtsev A.B. Production of High Purity Hydrogen by Ethanol Steam Reforming in Membrane Reactor // Catal. Today. 2014. V. 236. P. 64–69. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2014.01.014

  48. Миронова Е.Ю., Ермилова М.М., Орехова Н.В., Басов Н.Л., Ярославцев А.Б. Получение водорода паровым риформингом этанола на Pd-, Pt-, Ru-, Ni-содержащих наноалмазах в традиционном и мембранном реакторах // Мембраны и мембранные технологии. 2019. Т. 9. № 4. С. 286–294.

  49. Pandey K., Dwivedi M.M., Sanjay S.S. A Brief Review on Synthesis and Application of Polymer–Nanodiamond Composite // Mater. Today: Proc. 2022. V. 68. P. 2772–2780. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.09.032

  50. Huang H., Liu M., Tuo X., Chen J., Mao L., Wen Y., Tian J., Zhou N., Zhang X., Wei Y. One-Step Fabrication of PEGylated Fluorescent Nanodiamonds through the Thiol-Ene Click Reaction and Their Potential for Biological Imaging // Appl. Surf. Sci. 2018. V. 439. P. 1143–1151. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.12.233

  51. López-Carballeira D., Cammarata A., Polcar T. Revisiting the Electronic Nature of Nanodiamonds // Diamond Relat. Mater. 2021. V. 120. P. 108627. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2021.108627

  52. Mironova E.Yu., Lytkina A.A., Ermilova M.M., Efimov M.N., Zemtsov L.M., Orekhova N.V., Karpacheva G.P., Bondarenko G.N., Yaroslavtsev A.B., Muraviev D.N. Ethanol and Methanol Steam Reforming on Transition Metal Catalysts Supported on Detonation Synthesis Nanodiamonds for Hydrogen Production // Int. J. Hydrogen Energy. 2015. V. 40. № 8. P. 3557–3565. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.11.082

  53. Бондаренко Г.Н., Ермилова М.М., Ефимов М.Н., Земцов Л.М., Карпачева Г.П., Миронова Е.Ю., Орехова Н.В., Родионов А.С., Ярославцев А.Б. Изучение парового риформинга этанола на нанокатализаторах Pt-Ru/ДНА с применением метода ИК-спектроскопии в режиме in situ // Российские нанотехнологии. 2016. Т. 11. № 1–12. С. 62–69.

  54. Kurtz M., Wilmer H., Genger T., Hinrichsen O., Muhler M. Deactivation of Supported Copper Catalysts for Methanol Synthesis // Catal. Lett. 2003. V. 86. P. 77–80. https://doi.org/10.1023/A:1022663125977

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал