Petroleum ChemistryPetroleum ChemistryНефтехимия0028-24213034-5626The Russian Academy of Sciences68151910.31857/S0028242124040052MVOQJAArticlesСтатьиResearch ArticleВлияние условий формирования композитного катализатора на основе железа и термолизованного поливинилового спирта на селективность образования изопарафинов и олефинов в условиях синтеза Фишера–ТропшаВлияние условий формирования композитного катализатора на основе железа и термолизованного поливинилового спирта на селективность образования изопарафинов и олефинов в условиях синтеза Фишера–Тропшаhttps://orcid.org/0000-0003-2528-3978ИванцовМихаил Иванович
Russian Federation

к.х.н.

m_kulikova@ips.ac.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6801-0158ДементьеваОксана Сергеевна
Russian Federation

к.х.н.

m_kulikova@ips.ac.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2235-8989КуликоваМайя Валерьевна
Russian Federation

д.х.н., профессор

m_kulikova@ips.ac.ruИнститут нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН1508202464437338330052025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0028-2421/article/view/681519

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.

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.

композитные материалынитрат железаполивиниловый спирттермолизконверсия синтез-газаПравительство Российской ФедерацииGovernment of the Russian FederationРабота выполнена в рамках государственного задания ИНХС РАН.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.2023.08.002Dzhardimalieva 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/s10965-018-1646-8Nhi 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.201300733Chen 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/D0CS00905AZhang 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/s41467-020-17044-4Khadzhiev 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/S0965544116060049Kulikova 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/S0965544115070087Помогайло А.Д., Рузенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: „Химия“. 2000. 237 с.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/catal8050198Efimov 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.2022.101200Karpacheva 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.2013.02.007Dzhardimalieva 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/s10965-018-1646-8Куликова 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/s0023117714020078Васильев 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.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/S0028242117040025Хаджиев 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/S2414215816010044Глебов Л.С., Клигер Г.А. Молекулярно-массовое распределение продуктов синтеза Фишера–Тропша // Успехи химии. 1994. Т. 63. № 2. С. 192–202.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/S0361521923060010Yi 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.2012.02.009Cao 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.2016.08.009Золотаренко 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.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.2018.01.015Yang 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)00143-7Stenger 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/i100023a018Лапидус 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.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/b414039gAho 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.2024.206972Kulikova 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/ 10.21577/0103-5053.20200179Xiong 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