Анотація
Стаття присвячена розробці каталізатору синтезу вищих вуглеводнів з діоксиду вуглецю та водню. Перетворення парникового газу CO2 в хімічні речовини з доданою вартістю сприяє не тільки вирішенню екологічних задач, а й отриманню цінного палива. Каталізатори, що є активними в реакції гідрування СО, зазвичай активні і в гідруванні СО2. Найбільшу активність в процесі гідрування діоксиду вуглецю виявляють перехідні метали, в присутності яких утворюється в основному метан та невелика кількість монооксиду вуглецю. Вивчення кінетики реакції гідрування діоксиду вуглецю дозволило встановити механізм процесу в присутності перехідних металів і виявити безперспективність використання таких каталітичних систем для синтезу вуглеводнів шляхом проміжного утворення монооксиду вуглецю. В роботі показано, що більш ефективним методом синтезу вищих вуглеводнів може бути процес гідрування діоксиду вуглецю у метанол, з його подальшою дегідратацією. Синтез метанолу з газових сумішей Н2, СО та СО2 різного складу у присутності промислових каталізаторів відбувається за одним макроскопічним маршрутом, відновлення СО2, і супроводжується зворотною реакцією водяного зсуву. Тому газові суміші різного складу можуть бути використані як сировина для виробництва метанолу. Базуючись на власних та літературних даних було встановлено закономірності реакції гідрування діоксиду вуглецю, що дозволило розробити складний каталізатор синтезу вищих вуглеводнів з діоксиду вуглецю та водню. Запропонований каталізатор поєднує властивості каталізаторів синтезу оксигенатів з діоксиду вуглецю, та процесів отримання вуглеводнів з метанолу та інших спиртів. Проведено синтез вищих вуглеводнів з переважним вмістом вуглеводнів розгалуженої будови на розробленому біфункціональному каталізаторі та відпрацьовані умови проведення процесу.
Посилання
Olah G.A., Goeppert A., Prakash G.S. Chemical recycling of carbon dioxide to methanol and dimethyl ether: from greenhouse gas to renewable, environmentally carbon neutral fuels and synthetic hydrocarbons. J. Org. Chem., 2008. 74, 487-498.
https://doi.org/10.1021/jo801260f
Dorner R.W., Hardy D.R., Williams F.W., Willauer H.D. Heterogeneous catalytic CO2 conversion to value-added hydrocarbons. Energy Environ. Sci., 2010. 3, 884-890.
https://doi.org/10.1039/c001514h
Centi G., Quadrelli E.A., Perathoner S. Catalysis for CO2 conversion: a key technology for rapid introduction of renewable energy in the value chain of chemical industries. Energy Environ. Sci., 2013. 6, 1711-1731.
https://doi.org/10.1039/c3ee00056g
Porosoff M.D., Yan B., Chen J.G. Catalytic reduction of CO2 by H2 for synthesis of CO, methanol and hydrocarbons: challenges and opportunities. Energy Environ. Sci., 2016. 9, 62-73.
https://doi.org/10.1039/C5EE02657A
Lu Q., Rosen J., Zhou Y. et al. A selective and efficient electrocatalyst for carbon dioxide reduction. Nat Commun., 2014. 5, 3242.
https://doi.org/10.1038/ncomms4242
Porosoff M.D., Yang X., Boscoboinik J.A., Chen J.G. Molybdenum carbide as alternative catalysts to precious metals for highly selective reduction of CO2 to CO. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2014. 53 (26), 6705-6709.
https://doi.org/10.1002/anie.201404109
Martin O., Martín A.J., Mondelli C. et al. Indium oxide as a superior catalyst for methanol synthesis by CO2 hydrogenation. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2016. 55 (21), 6261-6265.
https://doi.org/10.1002/anie.201600943
Studt F., Sharafutdinov I., Abild-Pedersen F. et al. Discovery of a Ni-Ga catalyst for carbon dioxide reduction to methanol. Nature Chem., 2014. 6, 320-324.
https://doi.org/10.1038/nchem.1873
Graciani J., Mudiyanselage K., Xu F. et al. Highly active copper-ceria and copper-ceria-titania catalysts for methanol synthesis from CO2. Science, 2014. 345 (6196), 546-550.
https://doi.org/10.1126/science.1253057
Moret S., Dyson P.J., Laurenczy G. Direct synthesis of formic acid from carbon dioxide by hydrogenation in acidic media. Nat. Commun., 2014. 5, 4017.
https://doi.org/10.1038/ncomms5017
Zhu Y., Zhang S., Ye Y. et al. Catalytic conversion of carbon dioxide to methane on ruthenium-cobalt bimetallic nanocatalysts and correlation between surface chemistry of catalysts under reaction conditions and catalytic performances. ACS Catal., 2012. 2, 2403-2408.
https://doi.org/10.1021/cs3005242
Mistry H., Varela A.S., Bonifacio C.S. et al. Highly selective plasma-activated copper catalysts for carbon dioxide reduction to ethylene. Nat. Commun., 2016. 7, 12123.
https://doi.org/10.1038/ncomms12123
Wei J., Sun J., Wen Z. et al. New insights into the effect of sodium on Fe3O4-based nanocatalysts for CO2 hydrogenation to light olefins. Catal. Sci. Technol., 2016. 6, 4786-4793.
https://doi.org/10.1039/C6CY00160B
Wang X., Yang G., Zhang J. et al. Synthesis of isoalkanes over core (Fe-Zn-Zr)-shell (zeolite) catalyst from CO2 hydrogenation. Chem. Commun. , 2016. 52, 7352-7355.
https://doi.org/10.1039/C6CC01965J
Choi, Y.H., Jang Y.J., Park H. et al. Carbon dioxide Fischer-Tropsch synthesis: A new path to carbon-neutral fuels. Appl. Catal. B Environ., 2017. 202, 605-610.
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.09.072
Wang W., Wang S., Ma X., Gong J. Recent advances in catalytic hydrogenation of carbon dioxide. Chem. Soc. Rev., 2011. 40, 3703-3727.
https://doi.org/10.1039/c1cs15008a
Abelló S., Montané D. Exploring iron-based multifunctional catalysts for Fischer-Tropsch synthesis: a review. ChemSusChem., 2011. 4 (11), 1538-1556.
https://doi.org/10.1002/cssc.201100189
Fujiwara M., Kieffer R., Ando H., Souma Y. Development of composite catalysts made of Cu-Zn-Cr oxide/zeolite for the hydrogenation of carbon dioxide. Appl. Catal. A Gen., 1995. 121, 113-124.
https://doi.org/10.1016/0926-860X(95)85014-7
Marcilly C. Present status and future trends in catalysis for refining and petrochemicals. J. Catal., 2003. 216, 47-62.
https://doi.org/10.1016/S0021-9517(02)00129-X
Sabatier P., Senderens J.B. New synthesis of methane. C. R. Hebd. Séances Acad. Sci., 1902. 134, 514-516.
Pour V.C. Kinetics of hydrogenation of carbon oxides on nickel catalysts. Kinetics and catalysis, 1969. 34 (4), 1217-1228. [in Russian].
https://doi.org/10.1135/cccc19691217
Vlasenko V.M. Catalytic purification of gases. Technics, Kyiv, 2010. 237. [in Russian].
Atoguchi T., Kazusaka A., Enyo M. Mechanism of CO2 Methanation in the Presence of Silicogel Supported Cobalt Catalysts. "Sokubai Саtalyst" 1989. 31 (6), 409-412.
Le M.D., Lee J.-F., Chang C.-S. Catalytic behavior and phase composition change of Fe iron catalyst in hydrogenation of carbon dioxide. J.Chem. Eng. Jap., 1990. 23 (2), 130-136.
https://doi.org/10.1252/jcej.23.130
Inoue T., Iizuka T., Hattori H., Tanabe K. Catalytic CO2 hydrogenation reaction in the presence of Rh supported on metal oxides. " Sokubai, Саtalyst" 1987. 29 (2), 210-219.
Inoue Т., Iizuka T. Hydrogenation of carbon dioxide and carbon monoxide over supported platinum catalysts. J.Chem.Soc. Faraday Trans., 1986. 82 (6), 1681-1686.
https://doi.org/10.1039/f19868201681
Nozaki F., Sodesawa T., Satoh S., Kimura K. Hydrogenation of carbon dioxide into light hydrocarbons at atmospheric pressure over RhNb2O5 or CuSiO2- RhNb2O5 catalyst. J. Catal., 1987. 104 (2), 339-346.
https://doi.org/10.1016/0021-9517(87)90366-6
Tripolsky A.I., Pavlenko N.V., Odnovolik V.I. Catalytic properties of transition metals in carbon dioxide hydrogenation reactions. Ukr. chem. journal, 1994. 60 (12), 827-833. [in Russian].
Tripolsky A.I., Pavlenko N.V., Odnovolik V.I., Telbiz G.M. Kinetics and mechanism of heterogeneous catalytic hydrogenation of carbon dioxide to methane on transition metals.Ukr. chem. journal, 1995. 61 (2), 31-38. [in Russian].
Tripolsky A.I., Odnovolik V.I., Pavlenko N.V. Kinetics and mechanism of joint formation of methane and carbon monoxide in the reaction of heterogeneous catalytic hydrogenation of carbon dioxide on transition metals. Ukr. chem. journal, 1995. 61 (5), 22-27. [in Russian].
Odnovolik V.I., Tripolsky A.I., Pavlenko N.V., Telbiz G.M. Mechanism and kinetics of carbon monoxide formation. Ukr. chem. journal,1995. 61 (10), 100-104. [in Russian].
Tripolsky A.I., Odnovolik V.I., Pavlenko N.V. Mechanism and kinetics of CO and hydrocarbons formation in heterogeneous catalytic hydrogenation of carbon dioxide on transition metals.Theoretical and Experimental Chemistry, 1996. 32 (2), 93-98.
https://doi.org/10.1007/BF01373093
Tripolsky A.I., Odnovolik V.I., Pavlenko N.V. Mechanism of hydrogenation of carbon dioxide and the relationships governing the selection of heterogeneous catalysts for these reactions. Theoretical and Experimental Chemistry, 1996. 32 (3), 114-124.
https://doi.org/10.1007/BF01373234
Kaima V. Catalysis in Ci-chemistry. Chemistry, Leningrad, 1987. 295 с. [in Russian].
Leonov V.E., Lobodin S.S., Stefan A.S. Methanol as a raw material for the production of organic compounds. Chemical industry, 1983. 5, 270-274. [in Russian].
Behrens M., Studt F., Kasatkin I., Kühl S., Hävecker M., Abild-Pedersen F., Zander S., Girgsdies F., Kurr P., Kniep BL., Tovar M., Fischer RW., Nørskov JK., Schlögl R. The active site of methanol synthesis over Cu/ZnO/Al2O3 industrial catalysts. Science. 2012. 336. pp. 893-897.
https://doi.org/10.1126/science.1219831
Berg, R., Prieto G., Korpershoek G., Wal L.I., Bunningen A.J., Lægsgaard-Jørgensen S., Jongh P.E., Jong K.P. Structure sensitivity of Cu and CuZn catalysts relevant to industrial methanol synthesis. Nature Communication, 2016, V. 7, id. 13057.
https://doi.org/10.1038/ncomms13057
Kattel S., Ramírez P.J., Chen J.G., Rodriguez J.A., Liu P. Active sites for CO2 hydrogenation to methanol on Cu/ZnO catalysts. Science. 2017. 355 (6331). 1296-1299.
https://doi.org/10.1126/science.aal3573
Fujiwara M., Souma Y. Hydrocarbon synthesis from carbon dioxide and hydrogen over Cu-Zn-Cr oxide/zeolite hybrid catalysts. J. Chem. Soc., Сhem.,Commun., 1992. 10, 767-768.
https://doi.org/10.1039/C39920000767
Сourty P., Durand D., Freund E., Sugier A. C1-C6 alcohols from synthesis gas on copper-cobalt catalysts. J. Mol. Catal., 1992. 17 (2-3), 241-254.
https://doi.org/10.1016/0304-5102(82)85035-9
Meisel S.L., McCullough J.P., Lechtaler C.H., Weisz P.B. Gasoline from methanol in one step. Chem. Tech., 1976. 6 (2), 86-89.
Chang C.D., Kuo J.W., Lang W.H., et al. Process studies on the conversion of methanol to gasoline. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 1978. 17 (3), 255-260.
https://doi.org/10.1021/i260067a008
Сhaumette P., Hugues F. Synthesis of oxygenated compounds from CO and H2 Rev. Inst. Fr. Pét., 1985. 40 (1), 91-111.
https://doi.org/10.2516/ogst:1985007
Zhokh A. A. Zhokh, A.A., Trypolskyi A.S., Strizhak P. E. Two-path conversion of methanol to olefins on H-ZSM-5/Al2O3 catalyst. Theoretical and Experimental Chemistry. 2017. 53 (2), 130-137.
https://doi.org/10.1007/s11237-017-9509-7
Rozovsky A.Ya., Lin G.I. Theoretical foundations of the methanol synthesis process. Chemistry. Moscow. 1990. 265. [in Russian].
Beretta A., Sun Q., Herman R.G., Klier K. Synthesis of 2-methylpropan-1-ol-methanol mixtures from H2-CO synthesis gas over double-bed Cs/Cu/ZnO/Cr2O3 and Cs/ZnO/Cr2O3 catalysts. J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1995. 24, 2525-2526.
https://doi.org/10.1039/C39950002525
Shen Y., Le T. T., Li R., Rimer J. D. Optimized Synthesis of ZSM-11 Catalysts using 1,8-Diaminooctane as a Structure-Directing Agent. ChemPhysChem. 2018, 19, 529-538.