Каталитическое окисление продуктов газификации твердых топлив на медно-железных композитах: Фундаментальные и прикладные аспекты

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-73-20157

НазваниеКаталитическое окисление продуктов газификации твердых топлив на медно-железных композитах: Фундаментальные и прикладные аспекты

Руководитель Сараев Андрей Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" , Новосибирская обл

Конкурс №24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ

Ключевые слова Гетерогенный катализ, окисление СО, активные центры, механизм реакции, оксид меди, оксид железа, кипящий слой, in situ исследования, EXAFS, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, рентгеновская дифракция

Код ГРНТИ31.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Каталитическое окисление продуктов газификации твердых топлив в кипящем слое представляет огромный практический интерес, так как с одной стороны позволяет перерабатывать низкосортные виды топлива – бурый уголь, торф, мазут, дрова, гудрон, а также различные промышленные отходы (например, нефтяные шламы, иловые осадки сточных вод и органические отходы пищевых производств). С другой стороны, при каталитическом сжигании продуктов газификации образуется значительно меньшее количество вредных веществ, в отличие от традиционного сжигания топлив, что также является привлекательным с точки зрения экологии. С фундаментальной точки зрения интерес к данному процессу выражается в определение активных центров катализаторов, в установлении природы каталитического действия. В свою очередь, знание детальной информации о протекании каталитических реакций позволит осуществлять целенаправленный синтез катализаторов, проявляющих максимальную активность, а также подбирать оптимальные условия протекания каталитического процесса. В качестве исследуемых катализаторов в данной работе выбраны экологически безопасные CuO-Fe2O3-Al2O3 катализаторы, демонстрирующие высокую активность при каталитическом сжигании продуктов газификации твердых топлив. Для сжигания топлива в кипящем слое необходимо использовать катализаторы в виде сферических частиц обладающих высокой механической прочностью, что позволит уменьшить истирание и унос катализатора в процессе эксплуатации. Соответственно, целесообразно использовать не нанесенные катализаторы, а композиты на основе оксидов CuO, Fe2O3 и Al2O3, позволяющие легко получать сферические гранулы катализатора методом капельного формования. Как известно, основным продуктом газификации сухих топлив (уголь, мазут, дрова) является CO, при газификации топлив с большим содержанием влаги (илистые осадки или отходы пищевых производств) наряду с CO образуется значительное количество водяного пара. Следовательно, наиболее важной характеристикой катализаторов является их активность в реакции окисления СО и стабильность в присутствии большого количества воды. В связи с этим в рамках проекта планируется провести синтез медно-железных оксидных катализаторов с различным соотношением меди к железу; провести систематическое исследование окисления как чистого CO, так и в присутствии паров воды на синтезированных катализаторах, с целью определения активного компонента, изучения природы каталитического действия, а также стабильности катализатора в условиях реакции. Активность всех синтезированных катализаторов в реакции окисления СО будет изучаться в проточном реакторе. Катализаторы с наибольшей активностью будут синтезированы в больших количествах, достаточных для наработки сферических гранул и испытания в установке с кипящим слоем. Отличительной особенностью и научной новизной проекта является проведение in situ (operando) исследований широким набором методов, включая методы рентгеновского поглощения XANES/EXAFS, рентгеновскую дифракцию, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию и масс-спектрометрию. Особенность использования физико-химических методов исследования в режиме in situ заключается в том, что катализатор изучается не до и после каталитической реакции, а непосредственно в ходе протекания каталитического процесса. Это позволяет исследовать, как состояние катализатора непосредственно в условиях протекания каталитического процесса, так и интермедиаты реакции, адсорбированные на поверхности катализатора, а также изучать продукты и реагенты в газовой фазе. Последние десятилетия данный подход широко используется в мировой научной практике и с каждым годом приобретает все большую популярность. В Институте катализа СО РАН данный подход также развивается и успешно используется для исследования каталитических систем. Применение метода XANES/EXAFS в режиме in situ позволит определить химическое состояния меди, железа и алюминия в объеме катализатора в процессе протекания реакции окисления CO. Рентгеновская дифракция в режиме in situ позволит определить фазовый состав катализатора, в том числе изучить процесс внедрения катионов меди и алюминия в решетку оксида железа. Применение метода РФЭС в режиме in situ позволит определить химическое состояние меди, железа и алюминия, определить атомное соотношение элементов в приповерхностном слое катализатора. Кроме того, анализ спектров C1s позволит идентифицировать некоторые поверхностные интермедиаты. Во всех случаях планируется контролировать состав газовой фазы с помощью метода масс-спектрометрии, что позволит определить степень конверсии реагентов и распределение продуктов изучаемых реакций. Важно отметить, что эксперименты будут проводиться на уникальных установках: in situ XANES/EXAFS эксперименты будут проведены на станции «Структурное материаловедение» в Курчатовском комплексе синхротронно-нейтроных исследований (Москва) и станции «EXAFS-спектрометрии» в Сибирском центре синхротронного и терагерцевого излучения (ИЯФ СО РАН, Новосибирск), рентгенодифракционные исследования в режиме in situ будут проведены на станции «Прецизионная дифрактометрия» в Сибирском центре синхротронного и терагерцевого излучения (ИЯФ СО РАН, Новосибирск), in situ РФЭС эксперименты будут проведены на уникальном рентгеновском фотоэлектронном спектрометре VG ESCALAB High pressure (ИК СО РАН, Новосибирск), также часть экспериментов планируется провести в Берлинском центре синхротронного излучения BESSY-II (Берлин, Германия). Совокупность выбранных подходов, а именно синтез и охарактеризование катализаторов, проведение каталитических исследований, а также проведение физико-химических экспериментов в режиме in situ, позволит установить корреляции между природой активного компонента, характером его взаимодействия с носителем, фазовым составом, элементным составом поверхности и каталитической активностью и стабильностью. Полученные результаты позволят сформулировать рекомендации для целенаправленного синтеза катализаторов, обладающих максимально возможной активностью в окислении CO в кипящем слое.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Федоров А.В., Цапина А.М., Булавченко О.А., Сараев А.А., Одегова Г.В., Ермаков Д.Ю., Зубавичус Я.В., Яковлев В.А., Каичев В.В. Structure and Chemistry of Cu–Fe–Al Nanocomposite Catalysts for CO Oxidation Catalysis Letters, Catalysis Letters. 2018. V. 148 . N 12. P. 3715-3722 (год публикации - 2018)
10.1007/s10562-018-2539-5

2. Сараев А.А., Цапина А.М., Федоров А.В., Тригуб А.Л., Булавченко О.А., Винокуров З.С,, Зубавичус Я.В., Каичев В.В. CuFeAl-composite catalysts of oxidation of gasification products of solid fuels: In situ XAS and XRD study Radiation Physics and Chemistry (год публикации - 2019)
10.1016/j.radphyschem.2018.11.025

3. Булавченко О.А., Винокуров З.С,, Сараев А.А., Цапина А.М., Тригуб А.Л., Герасимов Е.Ю., Гладкий А.Ю., Федоров А.В., Яковлев В.А., Каичев В.В. The Influence of Cu and Al Additives on Reduction of Iron(III) Oxide: In Situ XRD and XANES Study Inorganic Chemistry, Inorg. Chem. 2019, 58, 4842−4850 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.inorgchem.8b03403

4. Булавченко О.А., Винокуров З.С,, Сараев А.А., Каичев В.В., Федоров А.В., Цапина А.М. In situ XRD and EXAFS/XANES study of xCuO–yAl2O3–zFe2O3 catalyst in reaction of CO oxidation Acta Crystallographica Section A, Acta Cryst. (2018). A74, e377-e378 (год публикации - 2018)
10.1107/S2053273318089532

5. Булавченко О.А., Почтарь А.А., Герасимов Е.Ю., Федоров А.В., Чесалов Ю.А., Сараев А.А., Яковлев В.А., Каичев В.В. Chemical and texture promoters in Cu-Fe-Al oxide nanocomposite catalysts for combustion of solid fuel gasification products Applied Catalysis A: General, Volume 590, page 117364 (год публикации - 2020)
10.1016/j.apcata.2019.117364

6. Кремнева А.М., Федоров А.В., Булавченко О.А., Князев Ю.В., Сараев А.А., Яковлев В.А., Каичев В.В. Effect of Calcination Temperature on Activity of Fe2O3- Al2O3 Nanocomposite Catalysts in CO Oxidation Catalysis Letters (год публикации - 2020)
10.1007/s10562-020-03250-8

7. Федоров А.В., Языков Н.А., Булавченко О.А., Сараев А.А., Каичев В.В., Яковлев В.А. CuFeAl Nanocomposite Catalysts for Coal Combustion in Fluidized Bed Nanomaterials (год публикации - 2020)

8. Федоров А.В., Сараев А.А., Кремнева А.М., Селиванова А.В., Ворохта М., Шмид Б., Булавченко О.А., Яковлев В.А., Каичев В.В. Kinetic and mechanistic study of CO oxidation over nanocomposite Cu‐Fe‐Al oxide catalysts ChemCatChem, Volume 12, Issue 19, Pages 4911-4921 (год публикации - 2020)
10.1002/cctc.202000852

9. А.М. Кремнева, А.В. Федоров, А.А. Сараев, О.А. Булавченко, В.А. Яковлев, В.В. Каичев IN SITU ИССЛЕДОВАНИЕ ОКИСЛЕНИЯ CO НА НАНОКОМПОЗИТНЫХ Cu-Fe-Al ОКСИДНЫХ КАТАЛИЗАТОРАХ МЕТОДАМИ СПЕКТРОСКОПИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ Кинетика и Катализ, № 1 2021 г (год публикации - 2021)

Публикации