ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОКИСЛИТЕЛЬНОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА НА ГРАНУЛИРОВАННЫХ Мо-СОДЕРЖАЩИХ ЦЕОЛИТНЫХ КАТАЛИЗАТОРАХ
Аннотация
Приведены результаты исследования влияния способа получения гранулированных Мо-содержащих цеолитных катализаторов на их физико-химические и каталитические свойства в процессе неокислительной конверсии метана. Показана более высокая каталитическая активность гранулированных катализаторов с иерархической пористой структурой, полученных без использования связующих материалов, по сравнению с гранулированным катализатором, полученным традиционным способом смешения порошкообразного цеолита с псевдобемитом с последующей грануляцией и прокалкой. Изучены текстурные и кислотные характеристики гранулированных цеолитов и Мо-содержащих катализаторов, полученных на их основе. Показано влияние деалюминирования гранулированных цеолитов с иерархической пористой структурой на их текстурные и кислотные характеристики, а также на их каталитическую активность в процессе конверсии метана. Методом ПЭМВР установлено различие в распределении активной Мо-содержащей фазы в гранулированных цеолитных катализаторах в зависимости от способа их приготовления. На поверхности гранулированных образцов, не содержащих связующего вещества, присутствуют частицы с широким распределением по размеру (2-30 нм), которые представляют собой кристаллическую фазу карбида молибдена (β-Мо2С), и Мо-содержащие кластеры в каналах цеолита. Катализатор, полученный с добавлением связующего вещества, представляет собой микронные агломераты, состоящие из частиц цеолита субмикронного размера и оксида алюминия, достаточно равномерно покрывающего поверхность цеолита. Согласно данным элементного картирования с использованием энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии установлено, что активный компонент равномерно распределен по поверхности катализатора, но при этом сигнал молибдена на оксиде алюминия существенно выше, что объясняется более высокой площадью его удельной поверхности и доступностью частиц. Показано, что способ приготовления гранулированных Мо-содержащих цеолитных катализаторов оказывает влияние на их каталитическую активность, селективность и стабильность в процессе неокислительной конверсии метана в ароматические углеводороды.
Для цитирования:
Степанов А.А., Коробицына Л.Л., Восмериков А.В., Герасимов Е.Ю., Ишкильдина А.Х. Исследование неокислительной конверсии метана на гранулированных Мо-содержащих цеолитных катализаторах. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 8. С. 85-94. DOI: 10.6060/ivkkt.20246708.7t.
Литература
BP Statistical Review of World Energy. 2022. Available online: https://www.connaissancedesenergies.org/sites/default/files/pdf-actualites/bp-stats-review-2022-full-report.pdf (accessed on 10 April 2023).
Gu Y., Chen P., Yan H., Wang X., Lyu Y., Tian Y., Liu W., Yan Z., Liu X. Coking mechanism of Mo/ZSM-5 catalyst in methane dehydroaromatization. Appl. Catal. A: Gen. 2021. V. 613. P. 118019. DOI: 10.1016/j.apcata.2021.118019.
Taifan W., Baltrusaitis J. CH4 conversion to value added products: Potential, limitations and extensions of a single step heterogeneous catalysis. Appl. Catal. B: Environ. 2016. V. 198. P. 525-547. DOI: 10.1016/j.apcatb.2016.05.081.
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., Nikol-la 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.
Sun K., Ginosar D.M., He T., Zhang Y., Fan M., Chen R. Progress in nonoxidative dehydroaromatization of me-thane in the last 6 years. I&EC Res. 2018. V. 57. P. 1768–1789. DOI: 10.1021/acs.iecr.7b04707.
Ma S., Guo X., Zhao L., Scott S., Bao X. Recent progress in methane dehydroaromatization: From laboratory curiosities to promising technology. J. En. Chem. 2013. V. 22. P. 1–20. DOI: 10.1016/S2095-4956(13)60001-7.
Stepanov A.A., Korobitsyna L.L., Vosmerikov A.V. State-of-the-art and achievements in the catalytic conver-sion of natural gas into valuable chemicals. Catal. Ind. 2022. V. 14. P. 11–30. DOI: 10.1134/S2070050422010093.
Spivey J.J., Hutchings G. Catalytic aromatization of methane. Chem. Soc. Rev. 2014. V. 43. P. 792–803. DOI: 10.1039/c3cs60259a.
Stepanov A.A., Korobitsyna L.L., Budaev Zh.B., Vos-merikov A.V., Gerasimov E.Yu., Ishkildina A.Kh. Influence of the secondary mesoporous structure of zeolite on the properties of Mo/ZSM-5 catalysts for non-oxidative methane conversion. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 11. P. 58–66. DOI: 10.6060/ivkkt.20236611.7t.
Karakaya C., Morejudo S.H., Zhu H., Kee R.J. Catalyt-ic chemistry for methane dehydroaromatization (MDA) on a bifunctional Mo/HZSM-5 catalyst in a packed bed. I&EC Res. 2016. V. 55. P. 9895–9906. DOI: 10.1021/acs.iecr.6b02701.
Gan Y., Lv Q., Yang H., Xu K., Wu L., Tang Y., Tan L. Acidity regulation for improved activity of Mo/HZSM-5 catalyst in methane dehydroaromatization. Chem. En. Sci. 2023. V. 266. P. 118289. DOI: 10.1016/j.ces.2022.118289.
Beuque A., Hao H., Berrier E., Batalha N., Sachse A., Paul J.-F., Pinard L. How do the products in methane dehydroaromatization impact the distinct stages of the reaction?. Appl. Catal. B: Environ. 2022. V. 309. P. 121274. DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121274.
Rahman M., Infantes-Molina A., Boubnov A., Bare S.R., Stavitski E., Sridhar A., Khatib S.J. Increasing the catalytic stability by optimizing the formation of zeolite-supported Mo carbide species ex situ for methane dehy-droaromatization. J. Catal. 2019. V. 375. P. 314-328. DOI: 10.1016/j.jcat.2019.06.002.
Gao R., Li X., Wang Z., Liu Y., Sun J., Zhu Y., Yao S. Reaction regeneration cycle of Mo/HZSM-5 catalyst in methane dehydroaromatization with the addition of oxygen-containing components. Appl. Catal. A: Gen. 2022. V. 647. P. 118916. DOI: 10.1016/j.apcata.2022.118916.
Song Y., Zhang Q., Xu Y., Zhang Y., Matsuoka K., Zhang Z.-G. Coke accumulation and deactivation behavior of microzeolite-based Mo/HZSM-5 in the non-oxidative methane aromatization under cyclic CH4-H2 feed switch mode. Appl. Catal. A: Gen. 2017. V. 530. P. 12–20. DOI: 10.1016/j.apcata.2016.11.016.
Huang X., Jiao X., Lin M., Wang K., Jia L., Houa B., Lia D. Coke distribution determines the lifespan of a hol-low Mo/HZSM-5 capsule catalyst in CH4 dehydroaromatization. Catal. Sci. Technol. J. 2018. V. 8. P. 5740–5749. DOI: 10.1039/C8CY01391H.
Break D. Zeolite molecular sieves. Publisher: Wiley. 1973. 771 p.
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.
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.
Vosmerikov A.A., Vosmerikova L.N., Vosmerikov A.V. Acidic and catalytic properties of Mg-containing zeolite catalyst in the propane conversion to olefinic hydrocarbons. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 11. P. 42–49. DOI: 10.6060/ivkkt.20236611.2t.
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.
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. 2012. V. 116. P. 4060–4070. DOI: 10.1021/jp209037c.
Zhang Z.-G. Process, reactor and catalyst design: Towards application of direct conversion of methane to ar-omatics under nonoxidative conditions. Carbon Resour. Convers. 2019. V. 2. P. 157–174. DOI: 10.1016/j.crcon.2019.07.001.
