ВЛИЯНИЕ ВТОРИЧНОЙ МЕЗОПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ЦЕОЛИТА НА СВОЙСТВА Мо/ZSM-5 КАТАЛИЗАТОРОВ НЕОКИСЛИТЕЛЬНОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА
Аннотация
Исследовано влияние способа формирования вторичной мезопористой структуры в цеолитах типа ZSM-5 на физико-химические и каталитические свойства в процессе неокислительной конверсии метана в ароматические углеводороды (бензол и нафталин) катализаторов 4%Mo/ZSM-5, приготовленных на их основе. Катализаторы 4%Mo/ZSM-5 получали с использованием гранулированного цеолита без применения связующего вещества с микро-мезопористой структурой, цеолита, обработанного водным раствором лимонной кислоты, и цеолита, синтезированного с добавлением технического углерода. Полученные цеолитные катализаторы исследованы методами ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, низкотемпературной адсорбции азота, термопрограммируемой десорбции аммиака, просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Показано, что модифицирование молибденом цеолитов с микро-мезопористой структурой, независимо от способа их синтеза, приводит к снижению преимущественно силы и концентрации сильных кислотных центров, отвечающих за процесс ароматизации метана. Наиболее сильное уменьшение содержания сильных кислотных центров наблюдается для цеолита, обработанного лимонной кислотой, что связано с деалюминированием цеолита. Исследование текстурных характеристик показало, что цеолиты ZSM-5mmm и ZSM-5mmm/ЛК имеют бóльший объем мезопор по сравнению с цеолитом, синтезированный с техническим углеродом. Методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения определены морфология и размер частиц катализаторов, а также показано распределение в них Мо. Каталитические испытания образцов показали, что создание дополнительной мезопористой структуры в цеолитах типа ZSM-5 приводит не только к увеличению активности катализаторов 4%Mo/ZSM-5, полученных на их основе, но и стабильности их работы. Установлено, что наиболее эффективным в процессе дегидроароматизации метана является катализатор 4%Mo/ZSM-5mmm, обработанный 0,3 N раствором лимонной кислоты.
Для цитирования:
Степанов А.А., Коробицына Л.Л., Будаев Ж.Б., Восмериков А.В., Герасимов Е.Ю., Ишкильдина А.Х. Влияние вторичной мезопористой структуры цеолита на свойства Мо/ZSM-5 катализаторов неокислительной конверсии метана. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 11. С. 58-66. DOI: 10.6060/ivkkt.20236611.7t.
Литература
Ma S., Guo X., Zhao L., Scott S., Bao X. Recent progress in methane dehydroaromatization: From laboratory curiosities to promising technology. J. Energy Chem. 2013. V. 22. P. 1-20. DOI: 10.1016/S2095-4956(13)60001-7.
Schwach P., Pan X., Bao X. Direct conversion of methane to value-added chemicals over heterogeneous cata-lysts: Challenges and prospects. Chem. Rev. 2017. V. 117. P. 8497-8520. DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00715.
Karakaya C., Kee R.J. Progress in the direct catalytic conversion of methane to fuels and chemicals. Prog. En-ergy Comb. Sci. 2016. V. 55. P. 60-97. DOI: 10.1016/j.pecs.2016.04.003.
Wang B., Albarracin-Suazo S., Pagan-Torres Y., Nikolla E. Progress in the direct catalytic conversion of me-thane to fuels and chemicals. Catal. Today. 2017. V. 285. P. 147-158. DOI: 10.1016/j.cattod.2017.01.023.
Majhi S., Mohanty P., Wang H., Pant K.K. Direct conversion of natural gas to higher hydrocarbons: A review. J. Energy Chem. 2013. V. 22. P. 543-554. DOI: 10.1016/S2095-4956(13)60071-6.
Huang K., Miller J.B., Huber G.W., Dumesic J.A., Maravelias C.T. A general framework for the evaluation of direct non-oxidative methane conversion strategies. Joule. 2018. V. 2. P. 349-365. DOI: 10.1016/j.joule.2018.01.001.
Menon U., Rahman M., Khatib S.J. A critical literature review of the advances in methane dehydroaromatization over multifunctional metal-promoted zeolite catalysts. Appl. Catal. A: Gen. 2020. V. 608. P. 117870. DOI: 10.1016/j.apcata.2020.117870.
Beuque A., Hao H., Berrier E., Batalha N., Sachse A., Paul J.-F., Pinard L. How do the products in methane dehydroaro-matization impact the distinct stages of the reaction?. Appl. Catal. B: Environ. 2022. V. 309. P. 121274. DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121274.
Su L., Xu Y., Bao X. Study on bifunctionality of Mo/ZSM-5 catalysts for methane dehydro-aromatization under non-oxidative condition. J. Nat. Gas Chem. 2002. V. 11. P. 18-27.
Parkhomchuk E.V., Sashkina K.A., Parmon V.N. New heterogeneous catalysts based on zeolites with hierar-chical pore system. Petrol. Chem. 2016. V. 56. P. 197-204. DOI: 10.1134/S0965544116030105.
Liu H., Yang S., Hu J., Shang F., Li Z., Xu C., Guan J., Kan Q. A Comparison study of mesoporous Mo/H-ZSM-5 and conventional Mo/H-ZSM-5 catalysts in methane non-oxidative aromatization. Fuel Proc. Technol. 2012. V. 96. P. 195-202. DOI: 10.1016/j.fuproc.2011.12.034.
Liu K., Caglayan M., Dikhtiarenko A., Zhang X., Sayidov O., Abou-Hamad E., Gascon J., Chowdhury A.D. Are hierarchical zeolites good catalysts for Methane De-hydroaromatization? A critical analysis. Catal. Today. 2023. V. 408. P. 22-35. DOI: 10.1016/j.cattod.2022.10.007.
Yang K., Zhou F., Ma H., Yu L., Wu G. Glucose-Assisted Synthesis of Hierarchical HZSM-5 for Catalytic Fast Pyrolysis of Cellulose to Aromatics. Chem. Select. 2021. V. 6. P. 11591-11598. DOI: 10.1002/slct.202102978.
Stepanov A.A., Korobitsyna L.L., Ishkildina A.K., Travkina O.S., Kuvatova R.Z., Vosmerikov A.V., Kutepov B.I. Granular hierarchically porous Mo-containing ZSM-5 zeolites with different level of acidity in non-oxidative conversion of methane to aromatic hydrocarbons. Izv. Tomsk. politekh. univ. Inzhiniring georesursov. 2022. V. 333. P. 86-97 (in Russian). DOI: 10.18799/24131830/2022/10/3679.
Stepanov A.A., Korobitsyna L.L., Vosmerikov A.V. Preparation of Mo/ZSM-5 Catalysts for Non-Oxidative Methane Conversion over Zeolites with Microand Mesoporous Structure and Investigation of Their Properties. Chem. Sustain. Dev. 2020. V. 28. P. 290-295. DOI: 10.15372/CSD2020233.
Shukla D.B., Pandya V.P. Estimation of crystalline phase in ZSM-5 zeolites by infrared spectroscopy. J. Chem. Tech. Biotechnol. 1989. V. 44. P. 147-154. DOI: 10.1002/jctb.280440206.
Break D. Zeolite molecular sieves. Publisher: Wiley. 1973. 771 p.
Hu J., Wu S., Ma Y., Yang X., Li Z., Liu H., Huo Q., Guan J., Kan Q. Effect of the particle size of MoO3 on the catalytic activity of Mo/ZSM-5 in methane non-oxidative aromatization. New J. Chem. 2015. V. 39. P. 5459-5469. DOI: 10.1039/C5NJ00672D.
Kosinov N., Coumans F.J.A.G., Uslamin E.A., Wijpkema A.S.G., Mezari B., Hensen E.J.M. Methane dehy-droaromatization by Mo/HZSM-5: Mono- or Bifunctional catalysis?. ACS Catal. 2017. V. 7. P. 520-529. DOI: 10.1021/acscatal.6b02497.
Brovko R.V., Lakina M.E., Sulman M.G., Doluda V.Yu. Study of the effect of H-ZSM-5 zeolite acidity on the process of catalytic transformation of n-butanol into hydrocarbons. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 4. P. 87-92 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20226504.6509.
Ma D., Zhang W., Shu Y., Liu X., Xu Y., Bao X. MAS NMR, ESR and TPD studies of Mo/HZSM‐5 catalysts: ev-idence for the migration of molybdenum species into the zeolitic channels. Catal. Lett. 2000. V. 66. P. 155-160. DOI: 10.1023/A:1019099607029.
Kim Y.-H., Borry R.W., Iglesia E. Genesis of methane activation sites in Mo-exchanged H–ZSM-5 catalysts. Mi-cropor. Mesopor. Mater. 2000. V. 35-36. P. 495-509. DOI: 10.1016/S1387-1811(99)00245-0.
Zhou D., Zuo S., Xing S. Methane Dehydrogenation and Coupling to Ethylene over a Mo/HZSM-5 Catalyst: A Density Functional Theory Study. J. Phys. Chem. C. 2012. V. 116. P. 4060-4070. DOI: 10.1021/jp209037c.
Zaikovskii V.I., Vosmerikov A.V., Anufrienko V.F., Korobitsyna L.L., Kodenev E.G., Echevskii G.V., Vasenin N.T., Zhuravkov S.P., Ismagilov Z.R., Parmon V.N. The State of the Active Sites and Deactivation of Mo-ZSM-5 Catalysts of Methane Dehydroaromatization. Dokl. AN. 2005. V. 404. P. 201-204 (in Russian). DOI: 10.1007/s10634-005-0060-1.
