Russian Journal of Inorganic ChemistryRussian Journal of Inorganic ChemistryЖурнал неорганической химии0044-457X3034-560XThe Russian Academy of Sciences69775510.7868/S3034560X25100075СИНТЕЗ И СВОЙСТВА НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙResearch ArticleIRON AND BIOCHAR-BASED CATALYSTS (Fe/C) FOR HYDROGEN PRODUCTION BY METHANE DECOMPOSITIONКАТАЛИЗАТОРЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА И БИОУГЛЕЙ (Fe/C) ДЛЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА РАЗЛОЖЕНИЕМ МЕТАНАLubavinaV. VЛюбавинаВ. Вlubavina_v_v@ips.ac.ruSotnikovaA. EСотниковаА. Еlubavina_v_v@ips.ac.ruKrysanovaK. OКрысановаК. Оlubavina_v_v@ips.ac.ruIvantsovM. IИванцовМ. Иlubavina_v_v@ips.ac.ruKulikovaM. VКуликоваМ. Вlubavina_v_v@ips.ac.ruTopchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of SciencesИнститут нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН151020257010VOL 70, NO10 (2025)ТОМ 70, №10 (2025)1295130304122025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0044-457X/article/view/697755

This article discusses catalysts for one of the environmentally friendly methods of hydrogen production (without carbon oxide emissions) based on the reaction of methane decomposition. Iron-containing systems applied to a carbon carrier — biochar — are used as catalysts. The active component (Fe) was applied by the method of incipient wetness impregnation from a solution of iron(III) nitrate nonahydrate. The catalytic systems were investigated under the conditions of the methane decomposition reaction and studied by physicochemical methods of analysis (Raman spectroscopy, X-ray phase analysis, transmission electron microscopy, elemental analysis, atomic absorption analysis). It was revealed that the catalysts are characterized by a graphite-like carbon structure in which iron-containing nanoparticles are uniformly distributed. The catalytic activity of the obtained systems in the temperature range of 500–850°C was estimated. The maximum conversion of methane is observed at a process temperature of 700°C on iron-containing biochar synthesized at a temperature of 250°C, and is 12.2%. The carbon product that is formed during the experiment is carbon nanotubes and onion-shaped carbon.

Предложены катализаторы для одного из экологически чистых методов получения водорода (без выбросов оксидов углерода) на основе реакции разложения метана. В качестве катализаторов использовали нанесенные на углеродный носитель (биоуголь) железосодержащие системы. Активный компонент (Fe) наносили методом пропитки по влагоемкости из раствора нонагидрата нитрата железа(III). Каталитические системы исследованы в условиях реакции разложения метана и изучены физико-химическими методами анализа (спектроскопия комбинационного рассеяния, рентгенофазовый анализ, просвечивающая электронная микроскопия, элементный анализ, атомно-абсорбционный анализ). Установлено, что катализаторы имеют графитоподобную углеродную структуру, в которой равномерно распределены железосодержащие наночастицы. Определена каталитическая активность полученных систем в температурном диапазоне 500–850°C. Выявлено, что максимальная конверсия метана наблюдается при 700°C на железосодержащем биоугле, синтезированном при 250°C, и составляет 12.2%. Углеродный продукт, полученный в ходе эксперимента, представляет собой углеродные нанотрубки и углерод луковичной формы.

cellulosehydrothermal carbonationbiocharcatalytic decomposition of methanecarbon nanotubesцеллюлозагидротермальная карбонизациябиоуголькаталитическое разложение метанауглеродные нанотрубкиРабота выполнена в рамках государственного задания ИНХС РАН (FFZN-2022-0003 "Водородные технологии для возобновляемых энергоносителей и производства химической продукции" № 123012300049-7)Zhou Y., Wang Y., Yang M. // Energy Convers. Manage. 2024. V. 304. P. 118223. https://doi.org/10.1016/J.ENCONMAN.2024.118223Hakkak M., Altintag N., Hakkak S. // Renew. Energy Focus. 2023. V. 46. P. 356. https://doi.org/10.1016/J.REF.2023.07.005Liu G., Guo T., Wang P. et al. // Heliyon. 2024. V. 10. № 18. P. E36219. https://doi.org/10.1016/J.HELIYON.2024.E36219Alshawaf M., van Haute M., Alsayegh O. et al. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2025. V. 212. P. 115421. https://doi.org/10.1016/J.RSER.2025.115421Tahmashi M., Siavashi M., Ahmadi R. // Energy Convers. Manage. X. 2025. V. 26. P. 101005. https://doi.org/10.1016/J.ECMX.2025.101005Zuo X., Toam Q., Zhong Y. // Int. J. Hydrogen Energy. 2025. V. 118. P. 426. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2025.03.171Хеанова Р.Б., Долгих В.Д., Иванов С.А. и др. // Сибирский физ. журн. 2024. Т. 18. № 3. C. 95. https://doi.org/10.25205/2541-9447-2023-18-3-95-103Bibak F., Meshkani F. // Fuel. 2024. V. 366. P. 131048. https://doi.org/10.1016/J.FUEL.2024.131048Осипов А.Р., Сидорчик И.А., Шляпин Д.А. и др. // Катализ в промышленности. 2021. Т. 1. № 1–2. C. 47. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2021-1-2-47-54Li S., Liao J., Zhang Z. et al. // Resour. Chem. Mater. 2025. V. 4. № 4. P. 100123. https://doi.org/10.1016/J.RECM.2025.100123Muradov N., Smith F., T-Raissi A. // Catal. Today. 2005. V. 102–103. P. 225. https://doi.org/10.1016/J.CATTOD.2005.02.018Muradov N. // Catal. Commun. 2001. V. 2. № 3–4. P. 89. https://doi.org/10.1016/S1566-7367(01)00013-9Vander Wal R., Makiesse Nikawete M. // J. Carbon Research. 2020. V. 6. № 2. P. 23. https://doi.org/10.3390/c6020023Krylova A., Krysanova K., Kulikova M. et al. // Energies. 2021. V. 14. № 18. P. 5890. https://doi.org/10.3390/en14185890Sivakumar G., Karattil Suresh A., Nag D. et al. // Int. J. Hydrogen Energy. 2025. V. 121. P. 42. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2025.03.270Liu Z., Zhao L., Yao Z. et al. // Chem. Eng. J. 2023. V. 476. P. 146373. https://doi.org/10.1016/J.CEJ.2023.146373Zhang P., Fan J., Wang Y. et al. // Carbon N. Y. 2024. V. 222. P. 118998. https://doi.org/10.1016/J.CARBON.2024.118998Yu J., Sun L., Berrucco C. et al. // J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2018. V. 130. P. 127. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2018.01.018Guizani C., Haddad K., Limousy L. et al. // Carbon N. Y. 2017. V. 119. P. 519. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.04.078Zhu X., Liu Y., Qian F. et al. // ACS Sustain. Chem. Eng. 2015. V. 3. № 5. P. 833. https://doi.org/10.1021/acsuschemeng.5b00153Sevilla M., Fuertes A.B. // Carbon N. Y. 2009. V. 47. № 9. P. 2281. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.04.026Hautoko D., Khan W.U., Putra A.F.P. et al. // Ind. Eng. Chem. Res. 2024. V. 63. № 44. P. 18869. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c02856Osipov A.R., Sidorchik I.A., Shlyapin D.A. et al. // Catal. Ind. 2021. V. 13. № 3. P. 244. https://doi.org/10.1134/S2070050421030089Vedele P., Sartoretti E., Torretti G. et al. // Chem. Eng. J. 2025. V. 514. P. 163392. https://doi.org/10.1016/J.CEJ.2025.163392Hautoko D., Khan W.U., Alomran A.M. et al. // Catal. Today. 2025. V. 453. P. 115259. https://doi.org/10.1016/J.CATTOD.2025.115259Bire S.S., Deshmukh S.K. // Bio-derived Carbon Nanostructures. 2024. P. 129. https://doi.org/10.1016/B978-0-443-13579-8.00014-0