Petroleum ChemistryPetroleum ChemistryНефтехимия0028-24213034-5626The Russian Academy of Sciences67741910.31857/S0028242124060065MFFIMFArticlesСтатьиResearch ArticleПолучение CО и CH4 по реакции гидрирования CO2 в условиях катализа в низкотемпературной плазмеПолучение CО и CH4 по реакции гидрирования CO2 в условиях катализа в низкотемпературной плазмеhttps://orcid.org/0000-0002-8558-3094ГолубевОлег Владимирович
Russian Federation

к. х. н.

golubev@ips.ac.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9297-4950МаксимовАнтон Львович
Russian Federation

д. х. н., чл.- корр. РАН

golubev@ips.ac.ruИнститут нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН1512202464661162020032025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0028-2421/article/view/677419

Исследован процесс гидрирования CO2 в плазме барьерного разряда с использованием катализаторов на основе микро- и мезопористых материалов. Катализаторы синтезированы методом пропитки носителей, содержащих цеолиты типов MFI и MTW, а также мезопористый материал SBA-15. Полученные катализаторы исследованы физико-химическими методами анализа (низкотемпературная адсорбция–десорбция N2, термопрограммированная десорбция NH3, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, рентгенофазовый анализ). Установлено, что повышение селективности по CH4 (до 87%) достигается в присутствии цеолитсодержащих катализаторов с низкой кислотностью. В присутствии катализаторов, содержащих мезопористый материал SBA-15, повышаются конверсия CO2 (с 24 до 33%) и выход CO, однако реакция метанирования CO2 не протекает (селективность по CH4 составляет < 2.5%).

Исследован процесс гидрирования CO2 в плазме барьерного разряда с использованием катализаторов на основе микро- и мезопористых материалов. Катализаторы синтезированы методом пропитки носителей, содержащих цеолиты типов MFI и MTW, а также мезопористый материал SBA-15. Полученные катализаторы исследованы физико-химическими методами анализа (низкотемпературная адсорбция–десорбция N2, термопрограммированная десорбция NH3, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, рентгенофазовый анализ). Установлено, что повышение селективности по CH4 (до 87%) достигается в присутствии цеолитсодержащих катализаторов с низкой кислотностью. В присутствии катализаторов, содержащих мезопористый материал SBA-15, повышаются конверсия CO2 (с 24 до 33%) и выход CO, однако реакция метанирования CO2 не протекает (селективность по CH4 составляет < 2.5%).

гидрирование CO2катализ в плазмецеолитсодержащие катализаторыбарьерный разрядПравительство Российской ФедерацииGovernment of the Russian FederationVogt C., Monai M., Kramer G.J., Weckhuysen B.M. The renaissance of the Sabatier reaction and its applications on Earth and in space // Nat. Catal. 2019. V. 2. № 3. P. 188–197. https://doi.org/10.1038/s41929-019-0244-4Fan W.K., Tahir M. Recent trends in developments of active metals and heterogenous materials for catalytic CO2 hydrogenation to renewable methane: A review // J. Environ. Chem. Eng. 2021. V. 9. № 4. ID105460. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.105460Gao J., Liu Q., Gu F., Liu B., Zhon, Z., Su F. Recent advances in methanation catalysts for the production of synthetic natural gas // RSC Adv. 2015. V. 5. P. 22759–22776. https://doi.org/10.1039/C4RA16114ATahir M., Tahir B. Constructing a stable 2D/2D heterojunction of oxygen-cluster-modified Ti3AlC2 MAX cocatalyst with proton-rich C3N4 for highly efficient photocatalytic CO2 methanation // Ind. Eng. Chem. Res. 2020. V. 59(21). P. 9841–9857. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c00193Manthiram K., Beberwyck B.J., Alivisatos A.P. Enhanced electrochemical methanation of carbon dioxide with a dispersible nanoscale copper catalyst // J. Am. Chem. Soc. 2014. V. 136 № 38. P. 13319–13325. https://doi.org/10.1021/ja5065284Alitalo A., Niskanen M., Aura E. Biocatalytic methanation of hydrogen and carbon dioxide in a fixed bed bioreactor // Bioresour. Technol. 2015. V. 196. P. 600–605. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.08.021Chen H., Goodarzi F., Mu Y., Chansai S., Mielby J.J., Mao B., Sooknoi T., Hardacre C., Kegnæs S., Fan X. Effect of metal dispersion and support structure of Ni/silicalite-1 catalysts on non-thermal plasma (NTP) activated CO2 hydrogenation // Appl. Catal. B Environ. 2020. V. 272. ID119013. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119013Ahmad F., Lovell E.C., Masood H., Cullen P.J., Ostrikov K.K., Scott J.A., Amal R. Low-temperature CO2 methanation: Synergistic effects in plasma–Ni hybrid catalytic system // ACS Sustain. Chem. Eng. 2020. V. 8. P. 1888–1898. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b06180.Chen H., Mu Y., Shao Y., Chansai S., Xiang H., Jiao Y., Hardacre C., Fan X. Nonthermal plasma (NTP) activated metal–organic frameworks (MOFs) catalyst for catalytic CO2 hydrogenation // AIChE J. 2020. V. 66. ID e16853. https://doi.org/10.1002/aic.16853Bacariza M.C., Biset-Peiró M., Graça I., Guilera J., Morante J., Lopes J.M., Andreu T., Henriques C. DBD plasma-assisted CO2 methanation using zeolite-based catalysts: Structure composition–reactivity approach and effect of Ce as promoter // J. CO2 Util. 2018. V. 26. P. 202–211. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2018.05.013Biset-Peiró M., Guilera J., Zhang T., Arbiol J., Andreu T. On the role of ceria in Ni–Al2O3 catalyst for CO2 plasma methanation // Appl. Catal. A Gen. 2019. V. 575. P. 223–229. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2019.02.028Chen H., Mu Y., Shao Y., Chansai S., Xu S., Stere C.E., Xiang H., Zhang R., Jiao Y., Hardacre C., Fan X. Coupling non-thermal plasma with Ni catalysts supported on BETA zeolite for catalytic CO2 methanation // Catal. Sci. Technol. 2019. V. 9. P. 4135–4145. https://doi.org/10.1039/C9CY00590KMikhail M., Da Costa P., Amouroux J., Cavadias S., Tatoulian M., Ognier S., Gálvez M.E. Effect of Na and K impurities on the performance of Ni/CeZrOx catalysts in DBD plasma–catalytic CO2 methanation // Fuel. 2021. V. 306. ID121639. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121639Mu Y., Xu S., Shao Y., Chen H., Hardacre C., Fan X. Kinetic study of nonthermal plasma activated catalytic CO2 hydrogenation over Ni supported on silica catalyst // Ind. Eng. Chem. Res. 2020. V. 59(20). P. 9478–9487. https://dx.doi.org/10.1021/acs.iecr.0c01477Wang J., Wang X., AlQahtani M.S., Knecht S.D., Bil´en S.G., Chu W., Song C. Synergetic effect of non-thermal plasma and supported cobalt catalyst in plasma-enhanced CO2 hydrogenation // Chem. Eng. J. 2023. V. 451. ID138661. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138661Lan L., Wang A., Wang Y. CO2 hydrogenation to lower hydrocarbons over ZSM-5-supported catalysts in a dielectric-barrier discharge plasma reactor // Catal. Commun. 2019. V. 130. ID105761. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2019.105761Wang J., AlQahtani, M.S., Wang X., Knecht S.D., Bilén S.G., Song C., Chu W. One-step plasma-enabled catalytic carbon dioxide hydrogenation to higher hydrocarbons: Significance of catalyst-bed configuration // Green Chem. 2021. V. 23. P. 1642–1647. https://doi.org/10.1039/D0GC03779FMen Y.-L., Liu Y., Wang Q., Luo Z.-H., Shao S., Li Y.-B., Pan Y.-X. Highly dispersed Pt-based catalysts for selective CO2 hydrogenation to methanol at atmospheric pressure // Chem. Eng. Sci. 2019. V. 200. P. 167–175. https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.02.004Xiao S., Zhang Y., Gao P., Zhong L., Li X., Zhang Z., Wang H., Wei W., Sun Y. Highly efficient Cu-based catalysts via hydrotalcite-like precursors for CO2 hydrogenation to methanol // Catal. Today. 2017. V. 281. P. 327–336. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2016.02.004Du J., Zong L., Zhang S., Gao Y., Dou L., Pan J., Shao T. Numerical investigation on the heterogeneous pulsed dielectric barrier discharge plasma catalysis for CO2 hydrogenation at atmospheric pressure: Effects of Ni and Cu catalysts on the selectivity conversions to CH4 and CH3OH // Plasma Process Polym. 2022. V. 19(2). ID2100111. https://doi.org/10.1002/ppap.202100111Michiels R., Engelmann Y., Bogaerts A. Plasma catalysis for CO2 hydrogenation: unlocking new pathways toward CH3OH // J. Phys. Chem. C. 2020. V. 124(47). P. 25859–25872. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c07632Цаплин Д.Е., Макеева Д.А., Куликов Л.А., Максимов А.Л., Караханов Э.А. Синтез цеолитов ZSM-12 c применением новых темплатов на основе солей этаноламинов // Журн. прикл. химии. 2018. Т. 91. № 12. C. 1729–1734. https://doi.org/10.1134/S004446181812006X. [Tsaplin D.E., Makeeva D.A., Kulikov L.A., Maksimov A.L., Karakhanov E.A. Synthesis of ZSM-12 zeolites with new templates based on salts of ethanolamines // Russ. J. Appl. Chem. 2018. V. 91. № 12. P. 1957–1962. https://doi.org/10.1134/S1070427218120066]Meynen V., Cool P., Vansant E.F. Verified syntheses of mesoporous materials // Microporous. Mesoporous. Mater. 2009. V. 125. P. 170–223. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2009.03.046