Влияние условий формирования композитного катализатора на основе железа и термолизованного поливинилового спирта на селективность образования изопарафинов и олефинов в условиях синтеза Фишера–Тропша

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В работе впервые показана возможность смещения селективности синтеза Фишера–Тропша в сторону образования олефинов и изопарафинов путем направленного синтеза композитного катализатора на основе железа и поливинилового спирта (ПВС). Композиты, представляющие собой нитрат железа, иммобилизованный на термолизованном поливиниловом спирте, охарактеризованы несколькими физико-химическими методами (РФА, БЭТ, ИК-Фурье-спектроскопия). Показано влияние температуры формирования композита на фазовый состав металлсодержащих частиц. Полученные композитные материалы являются высокоактивными катализаторами синтеза Фишера–Тропша, конверсия СО в их присутствии достигала 96% без стадии предварительной активации. Впервые установлено, что состав жидких продуктов синтеза в значительной степени зависит от условий формирования контактов (катализаторов) и селективность реакции может быть сдвинута в сторону образования олефинов и изопарафинов (до 90%). Зафиксировано нестандартное распределение спиртов в оксигенатах с существенным преобладанием этанола.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Михаил Иванович Иванцов

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: m_kulikova@ips.ac.ru
ORCID iD: 0000-0003-2528-3978

к.х.н.

Russian Federation, Москва, 119991

Оксана Сергеевна Дементьева

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: m_kulikova@ips.ac.ru
ORCID iD: 0000-0001-6801-0158

к.х.н.

Russian Federation, Москва, 119991

Майя Валерьевна Куликова

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Author for correspondence.
Email: m_kulikova@ips.ac.ru
ORCID iD: 0000-0003-2235-8989

д.х.н., профессор

Russian Federation, Москва, 119991

References

  1. Yingshuo L., Shuaishuai L., Fuli W., Weixuan N., Shuqing W. Polymer-encapsulated metal complex catalysts: An emerging and efficient platform for electrochemical CO 2 reduction // J. Mater. Sci. Technol. 2024. V. 172. P. 33–50. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.08.002
  2. Dzhardimalieva G.I., Uflyand I.E. Preparation of metal-polymer nanocomposites by chemical reduction of metal ions: functions of polymer matrices // J. Polym. Res. 2018. V. 25. № 255. P. 1–65. https://doi.org/10.1007/s10965-018-1646-8
  3. Nhi B.D., Akhmadullin R.M., Akhmadullina A.G., Samuilov Y.D., Aghajanian S.I. Polymeric heterogeneous catalysts of transition-metal oxides: surface characterization, physicomechanical properties, and catalytic activity // Chemphyschem. 2013. V.14. № 18. P. 4149–4157. https://doi.org/10.1002/cphc.201300733
  4. Chen Y., Wei J., Duyar M.S., Ordomsky V.V., Khodakov A.Y., Liu J. Carbon-based catalysts for Fischer–Tropsch synthesis // Chem. Soc. Rev. 2021. V. 50. P. 2337–2366. https://doi.org/10.1039/D0CS00905A
  5. Zhang Y., Yang X., Yang X., Duan H., Qi H., Su Y., Liang B., Tao H., Liu B., Chen D., Su X., Huang Y., Zhang T. Tuning reactivity of Fischer–Tropsch synthesis by regulating TiO x overlayer over Ru/ TiO 2 nanocatalysts // Nat Commun. 2020. V. 11. № 3185. P. 1–8. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17044-4
  6. Khadzhiev S.N., Kulikova M.V., Ivantsov M.I., Zemtsov L.M., Karpacheva G.P., Muratov D.G., Bondarenko G.N., Oknina N.V. Fischer–Tropsch synthesis in the presence of nanosized iron-polymer catalysts in a fixed-bed reactor // Petrol. Chemistry. 2016. V. 56. P. 522–528. https://doi.org/10.1134/S0965544116060049
  7. Kulikova M.V., Al Khazradji A.Kh., Dement’eva O.S., Ivantsov M.I., Flid V.R., Khadzhiev S.N. Influence of dispersion medium composition on Fischer–Tropsch synthesis in three-phase system in the presence of iron-containing catalysts // Petrol. Chemistry. 2015. V. 55. P. 537–541. https://doi.org/10.1134/S0965544115070087
  8. Помогайло А.Д., Рузенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: „Химия“. 2000. 237 с.
  9. Castelo-Quibén J., Elmouwahidi A., Maldonado-Hódar F.J., Carrasco-Marín F., Pérez-Cadenas A.F. Metal-Carbon-CNF composites obtained by catalytic pyrolysis of urban plastic residues as electro-catalysts for the reduction of CO 2 // Catalysts. 2018. V. 8. № 198. P. 1–11. https://doi.org/10.3390/catal8050198
  10. Efimov M.N., Vasilev A.A., Muratov D.G., Dzidziguri E.L., Sheverdiyev K.A., Karpacheva G.P. Conversion of polyethylene terephthalate waste in the presence of cobalt compound into highly-porous metal-carbon nanocomposite (c-PET-Co) // Composites Communications. 2022. V. 33. ID 101200. https://doi.org/10.1016/j.coco.2022.101200
  11. Karpacheva G., Ozkan S. Polymer-metal hybrid structures based on polydiphenylamine and Co nanoparticles // Procedia Materials Science. 2013. V. 2. P. 52–59. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2013.02.007
  12. Dzhardimalieva G.I., Uflyand I.E. Preparation of metal-polymer nanocomposites by chemical reduction of metal ions: functions of polymer matrices // J. Polym. Res. 2018. V. 25. № 255. https://doi.org/10.1007/s10965-018-1646-8
  13. Куликова М.В., Земцов Л.М., Сагитов С.А., Ефимов М.Н., Крылова А.Ю., Карпачева Г.П., Хаджиев С.Н. Синтез Фишера–Тропша в присутствии Сo-содержащих композиционных материалов на основе углерода // Химия твердого топлива. 2014. № 2. С. 32–38. https://doi.org/ 10.7868/s0023117714020078
  14. Васильев А.А., Дзидзигури Э.Л., Иванцов М.И., Бондаренко Г.Н., Ефимов М.Н., Карпачева Г.П. Металл-углеродные нанокомпозиты на основе моно- и биметаллических наночастиц Fe, Co и ИК-пиролизованного хитозана // IV междисциплинарный научный форум с международным участием „Новые материалы и перспективные технологии“. 2018. С. 98–103.
  15. Чудакова М.В., Куликова М.В., Иванцов М.И., Бондаренко Г.Н., Ефимов М.Н., Васильев А.А., Земцов Л.М., Карпачева Г.П., Хаджиев С.Н. Физико-химические и каталитические свойства в синтезе спиртов Cu–Co-содержащих твердодисперсных композиционных контактов на основе целлюлозы // Нефтехимия. 2017. Т. 57. № 4. С. 431–437. https://doi.org/ 10.7868/S0028242117040025
  16. Хаджиев С.Н., Куликова М.В., Иванцов М.И., Земцов Л.М., Карпачева Г.П. Синтез Фишера–Тропша в присутствии наноразмерных железополимерных катализаторов в реакторе с фиксированным слоем // Наногетерогенный катализ. 2016. Т. 1. № 1. С. 63–69. https://doi.org/ 10.1134/S2414215816010044
  17. Глебов Л.С., Клигер Г.А. Молекулярно-массовое распределение продуктов синтеза Фишера–Тропша // Успехи химии. 1994. Т. 63. № 2. С. 192–202.
  18. Ivantsov M.I., Krysanova K.O., Grabchak A.A., Kulikova M.V. Influence of the phase composition of the Fe/Biochar catalysts on the composition of Fischer–Tropsch synthesis products: The Lapidus theory of bifunctional catalytic centers // Solid Fuel Chem. 2023. V. 57. P. 367–372. https://doi.org/10.3103/S0361521923060010
  19. Yi H., He D., Tang X., Wang H. Effects of preparation conditions for active carbon-based catalyst on catalytic hydrolysis of carbon disulfide // Fuel. 2012. V. 97. P. 337–343. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.02.009
  20. Cao Y., Wang K., Wang X., Gu Zh. Preparation of active carbons from corn stalk for butanol vapor adsorption // J. of Energy Chemistry. 2017. V. 26. № 1. P. 35–41. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2016.08.009
  21. Золотаренко А.Д., Перекос А.Е., Дубовой А.Г. Свойства металлоуглеродных нанокомпозитов железа и никеля, синтезированных с использованием дугового разряда в жидкости // Труды XI международной конференции „Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов“. 2009. С. 775–779.
  22. Liu G., Chen Q., Oyunkhand E., Ding Sh. Nitrogen-rich mesoporous carbon supported iron catalyst with superior activity for Fischer–Tropsch synthesis // Carbon. 2018. V. 130. P. 304–314. https://doi.org/ 10.1016/j.carbon.2018.01.015
  23. Yang Y., Xiang H.-W., Xu Y.-Y., Bai L. Effect of potassium promoter on precipitated iron-manganese catalyst for Fischer–Tropsch synthesis // Applied Catalysis A: General. 2004. V. 266. № 2. P. 181–194. https://doi.org/10.1016/s0926-860x(04)00143-7
  24. Stenger Jr. H.G., Askonas Ch.F. Thermodynamic product distributions for the Fischer–Tropsch synthesis // Ind. Eng. Chem. Fundamen. 1986. V. 25. № 3. P. 410–413. https://doi.org/10.1021/i100023a018
  25. Лапидус А.Л., Крылова А.Ю. Каталитический синтез изоалканов и ароматических углеводородов из CO и Н 2 // Успехи химии. 1998. Т. 67. № 11. С. 1032–1043.
  26. Spivey J.J., Egbebi A. Heterogeneous catalytic synthesis of ethanol from biomass-derived syngas // Chem. Soc. Rev. 2007. V. 36. P. 1514–1528. https://doi.org/10.1039/b414039g
  27. Aho A., Lind N., Virtanen P., Maki-Arvela P., Eranen K., Granroth S., Korpelin V., Honkala K., Russo V., Simakova I., Murzin D.Yu. Influence of Cu : Fe ratio in synthesis of higher alcohols from syngas over CuFeCoK/attapulgite catalysts // Applied Catalysis O: Open. 2024. V. 193. P. 206972. https://doi.org/:10.1016/j.apcato.2024.206972
  28. Kulikova M.V., Chudakova M.V., Ivantsov M.I., Kuz’min A.E., Krylova A.Yu., Maksimov A.L. Properties of Cu-Co composite catalysts for synthesis of aliphatic alcohols // J. Braz. Chem. Soc. 2021. V. 32. № 2. P. 287–298. https://doi.org/ 10.21577/0103-5053.20200179
  29. Xiong Zh., Guo J., Chaiwat W., Deng W., Hu X., Han H., Chen Y., Xu K., Su Sh., Hu S., Wang Y., Xiang J. Assessing the chemical composition of heavy components in bio-oils from the pyrolysis of cellulose, hemicellulose and lignin at slow and fast heating rates // Fuel Processing Technology. 2020. V. 199. № 106299. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2019.106299

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. N2 adsorption isotherm on Fe-PVS-250 (a) and Fe-PVS-500 (b) samples.

Download (52KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diffraction patterns of Fe-PVA composites obtained by heat treatment of mixtures of iron nitrate and polyvinyl alcohol at different temperatures, °C: (1) – 250, (2) – 350, (3) –500 (* – reflexes related to magnetite; • – reflexes related to cementite).

Download (4KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. IR spectra of the initial PVA (1) and samples obtained by heat treatment at different temperatures, °C: (2) – 250; (3) – 350; (4) – 500.

Download (24KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of carbon monoxide conversion on the temperature of the FTS process for composite catalysts: (1) – Fe-PVA-250; (2) – Fe-PVA-350; (3) – Fe-PVA-500.

Download (16KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Effect of synthesis temperature on the composition of monohydric aliphatic alcohols formed in the presence of composite catalysts Fe-PVA-250 (a), Fe-PVA-350 (b) and Fe-PVA-500 (c).

Download (43KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences