ТЕРМОГРАВІМЕТРИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ФАЗОВИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ МЕТАЛОКСИДНИХ КОМПОЗИТІВ, НАНЕСЕНИХ НА ВИСОКОДИСПЕРСНІ ІНЕРТНІ НОСІЇ, У СИНТЕЗІ КАТАЛІЗАТОРІВ МЕТАНУВАННЯ СО2
DOI: https://doi.org/10.17721/1728-2209.2023.1(58).7
Ключові слова:
нанесені каталізатори, метанування CO2, термогравіметричний аналіз, пірогенні носії, металоксидні прекурсориАнотація
Вступ. Вуглекислий газ залишається основним компонентом парникових газів, наявних в атмосфері. Реакція метанування СО2 має низку переваг над іншими методами утилізації вуглекислого газу, оскільки отриманий СH4 можна безпосередньо транспортувати існуючими газопроводами, а також використовувати як паливо або сировину для виробництва різних хімікатів. Нанокомпозити (НК) на основі кремнезему або оксиду алюмінію з біметалевими наночастинками (НЧ) NiFe або CoFe є активними каталізаторами метанування СО2. Проте існує проблема щодо одержання наночастинок із високою стабільністю та вузьким розподілом розмірів, для подолання якої пропонується нанесення оксидів перехідних металів на поверхню носія, зокрема високодисперсних носіїв. Метою пропонованої роботи був аналіз впливу носіїв, таких як алюмокремнезем і алюмотитанокремнезем, на термічні перетворення прищеплених металоксидних (Ni-Fe та Co-Fe) композитів при синтезі каталізаторів гідрогенування СО2 до метану.
Методи. Дослідження процесу відновлення металоксидних композитів до їхнього металічного стану проводили методом термогравіметричного аналізу (ТГА), суть якого полягає у визначенні температурної залежності втрати маси, яка відбувається внаслідок процесу відновлення. Такий аналіз дозволяє встановити оптимальні умови синтезу металічних каталізаторів на етапі переходу від оксидних прекурсорів до каталітично активної металічної фази.
Результати. Методом термогравіметричного аналізу було досліджено процес відновлення нанесених на змішані пірогенні оксиди-носії NiFe і CoFe каталізаторів до їхнього металічного стану, і встановлено, що формування нанесених металоксидних композитів шляхом відновлення металоксидних прекурсорів визначається природою металів і залежить від використаного носія. Визначено, що процес відновлення NiFe-оксидного прекурсору починається за температури 200–250 °С і характеризується значеннями енергії активації близько 76–86 кДж/моль. Енергії активації відновлення CoFe-оксидного прекурсору є вищими і становлять 91–95 кДж/моль, що зумовлює зростання температур відновлення на 50–100 °С.
Висновки. Використання алюмокремнезему марки SA96 як носія спричинює зниження енергії активації і температур відновлення порівняно з носієм марки AST1 (алюмотитанокремнезем), що пояснюється меншою питомою поверхнею SA96 і більшою доступністю оксидного прекурсору для відновлення.
Посилання
Bi, Y., Dalai, A. K. (2003). Selective Production of C4 Hydrocarbons from Syngas Using Fe-Co/ZrO2 and SO42-/ZrO2 Catalysts. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 81(2), 230–242. https://doi.org/10.1002/cjce.5450810208
Duvenhage, D. J., Coville, N. J. (2005). Fe:Co/TiO2 bimetallic catalysts for the Fischer–Tropsch reaction: Part 3: The effect of Fe:Co ratio, mixing and loading on FT product selectivity. Applied Catalysis A: General, 289(2), 231–239. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2005.05.008
Dyachenko, A. G., Ischenko, O. V., Borysenko, M. V., Gaidai, S. V., Yatsymyrskyi, A. V. (2022a) Co-Fe/Al2O3 nanocomposite catalysts of the process of CO2 hydrogenation. Theoretical and Experimental Chemistry, 58, 134–142. https://doi.org/10.1007/s11237-022-09731-8
Dyachenko, А. G., Ischenko, O. V., Goncharuk, O. V., Borysenko, M. V., Mischanchuk, O. V. (2022b). Preparation and characterization of Ni-Co/SiO2 nanocomposite catalysts for CO2 methanation. Applied Nanoscience, 12, 349–359. https://doi.org/10.1007/s13204-020-01650-1
Goncharuk, O., Dyachenko, A., Skwarek, E., Ischenko, O., Andriyko, L. (2022). Structure of aluminosilicate-supported nickel and iron oxides nanocomposites in gaseous and aqueous media. Physicochemical Problems of Mineral Processing, 58(2), 144375. https://doi.org/10.37190/ppmp/144375
Goncharuk, O., Shipul, O., Dyachenko, A., Ischenko, O., Andriyko, L., Marynin, A., Pakhlov, E., Oranska, O., Borysenko, M. (2019). Silica-supported Ni and Co nanooxides: Colloidal properties and interactions with polar and nonpolar liquids. Journal of Molecular Liquids, 285, 397–402. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.04.127
Havancsák, K. (2003). Nanotechnology at Present and its Promise for the Future. Materials Science Forum, 414-415, 85–94. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.414-415.85
Ischenko, O. V., Dyachenko, A. G., Saldan, I., Lisnyak, V. V., Diyuk, V. E. (2021). Methanation of CO2 on bulk Co-Fe catalysts. International Journal of Hydrogen Energy. 46(76):37860–37871. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.09.034
Liu, C., Cundari, T. R., Wilson, A. K. (2012). CO2 Reduction on Transition Metal (Fe, Co, Ni, and Cu) Surfaces: In Comparison with Homogeneous Catalysis. The Journal of Physical Chemistry C, 116(9), 5681–5688. https://doi.org/10.1021/jp210480c
Mallampati, R., Valiyaveettil, S. (2013). Biomimetic metal oxides for the extraction of nanoparticles from water. Nanoscale, 5(8), 3395. https://doi.org/10.1039/C3NR34221B
Manova, E., Tsoncheva, T., Estournès, C., Paneva, D., Tenchev, K. (2006). Nanosized iron and iron–cobalt spinel oxides as catalysts for methanol decomposition. Applied Catalysis A: General, 300(2), 170–180. http://dx.doi.org/10.1016/j.apcata.2005.11.005
Mohseni, E., Miyandehi, B. M., Yang, J., Yazdi, M. A. (2015). Single and combined effects of nano-SiO2, nano-Al2O3 and nano-TiO2 on the mechanical, rheological and durability properties of self-compacting mortar containing fly ash. Construction and Building Materials, 84, 331–340. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.03.006
Nagaraju, N., Fonesca, A., Konya, Z., Nagy, J. B. (2002). Alumina and silica supported metal catalysts for the production of carbon nanotubes. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 181(1-2), 57–62. https://doi.org/10.1016/S1381-1169(01)00375-2
O'Shea de la Peña, V. A., Álvarez-Galván, M. C., Campos-Martin, J. M., Menéndez, N. N., Tornero, J. D. (2006). Surface and Structural Features of Co-Fe Oxide Nanoparticles Deposited on a Silica Substrate. European Journal of Inorganic Chemistry, 24, 5057–5068. https://doi.org/10.1002/ejic.200600778
O'Shea de la Peña, V. A., Menéndez, N. N., Tornero, J. D., Fierro, J. L. G. (2003). Unusually High Selectivity to C2+ Alcohols on Bimetallic CoFe Catalysts During CO Hydrogenation. Catalysis Letters, 88(3/4), 123–128. https://doi.org/10.1023/A:1024097319352
Olivier, J. G. J., Peters, J. A. H. W. (2020). Trends in Global CO2 and Total Greenhouse Gas Emissions; 2020 Report. PBL Netherlands Environmental Assessment Agency, 4331, 1–85. https://www.pbl.nl/en/publications/trends-in-global-co2-and-total-greenhouse-gas-emissions-2020-report
Portillo-Vélez, N. S., Zanella, R. (2020). Comparative study of transition metal (Mn, Fe or Co) catalysts supported on titania: Effect of Au nanoparticles addition towards CO oxidation and soot combustion reactions. Chemical Engineering Journal, 385: 123848. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123848
Qu, Q., Yang, S., Feng, X. (2011). 2D Sandwich-like Sheets of Iron Oxide Grown on Graphene as High Energy Anode Material for Supercapacitors. Advanced Materials, 23(46), 5574–5580. https://doi.org/10.1002/adma.201103042
Subhan, M. A., Choudhury, K. P., Neogi, N. (2021) Advances with Molecular Nanomaterials in Industrial Manufacturing Applications. Nanomanufacturing, 1, 75–97. https://doi.org/10.3390/nanomanufacturing1020008
Tamirat, Y. (2017). The Role of Nanotechnology in Semiconductor Industry: Review Article. Journal of Materials Science and Nanotechnology, 5(2), 202. https://doi.org/10.15744/2348-9812.5.202
Yang, H., Zhuang, Y., Hu, H., Du, X., Zhang, C. (2010). Silica‐coated manganese oxide nanoparticles as a platform for targeted magnetic resonance and fluorescence imaging of cancer cells. Advanced Functional Materials, 20(11), 1733–1741. http://dx.doi.org/10.1002/adfm.200902445
Zhludenko, M., Dyachenko, A., Bieda, O., Gaidai, S., Filonenko, M., Ischenko, O. (2018). Structure and catalytic properties of Co–Fe systems in the reaction of CO2 methanation. Acta Physica Polonica A, 133, 1084–1087. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.133.1084
Zhou, Y., Xu, S., Zhang, Y., Hu, X., Li, F. (2020). Synergistic effect over a remarkable durable and active polymetallic Ru-doped Fe-Co-Ce/γ-Al2O3 nanocatalyst: Interfacial Lewis acid-base pair dependent reaction mechanism for landfill leachate. Chemical Engineering Journal, 382, 122938. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122938
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Ольга ПРИГУНОВА
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
