КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 21-73-00122

НазваниеДизайн Rh-содержащих катализаторов и их свойства в реакции низкотемпературной паровой конверсии С2+-углеводородов

РуководительУсков Сергей Игоревич, Кандидат химических наук

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

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2023 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» 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 словагетерогенный катализ, родий, попутные нефтяные газы, природный газ, дизайн катализаторов

Код ГРНТИ31.15.28


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Цель проекта заключается в дизайне нанесенных родиевых катализаторов для процесса низкотемпературной паровой конверсии попутных нефтяных газов (НТПК ПНГ) и установления корреляций между структурой и каталитическими свойствами материалов. В настоящее время в России существует проблема утилизации попутных нефтяных газов, которые являются ценным ресурсом для синтеза химических продуктов и использования в энергетических целях. Одним из перспективных методов утилизации ПНГ является процесс низкотемпературной паровой конверсии. Ранее этот процесс был детально изучен на никелевых катализаторах при температурах 250-350 °C. Однако, никелевые катализаторы требуют предварительного восстановления и склонны к медленной дезактивации в ходе процесса за счет возможного образования углерода на поверхности никеля и/или окисления никеля водяным паром. Катализаторы на основе родия, в свою очередь, недостаточно подробно изучены в данном процессе и могут обладать рядом преимуществ перед никелевыми системами, как например отсутствие необходимости в восстановлении, а также стабильность к процессам окисления и образования углерода. Научная проблема, которая ставится в рамках проекта, заключается в том, чтобы восполнить пробелы в изучении НТПК ПНГ на родиевых катализаторах. Планируется изучить корреляцию между составом родиевого катализатора, его структурой и каталитическими свойствами в реакции НТПК С2+-углеводородов. Полученные результаты в перспективе помогут создать основу технологического процесса для утилизации ПНГ методом низкотемпературной паровой конверсии.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты проекта в целом: 1) Будут определены корреляции между структурой и свойствами Rh-содержащих катализаторов в низкотемпературной паровой конверсии углеводородов. 2) Будут созданы Rh-содержащие катализаторы для процесса низкотемпературной паровой конверсии углеводородов. 3) Будут созданы физико-химические основы способа получения нормализованного топливного газа из ПНГ и других факельных газов. Первый год: 1. Термодинамический расчет распределения продуктов реакции при различных давлениях, температурах, составе реакционной смеси и глубине протекания реакции. Подбор составов модельных смесей ПНГ. Определение целевых показателей проведения процесса. 2. Исследование процесса формирования структуры катализаторов методами ТПВ и РФА in situ. 3. Синтез Rh катализаторов, нанесенных на различные носители. 4. Проведение каталитических экспериментов по низкотемпературной паровой конверсии модельных смесей ПНГ на полученных Rh-cодержащих катализаторах. 5. Охарактеризование катализаторов до и после проведения реакции комплексом физико-химических методов (РФА, ПЭМ, EDX, БЭТ, хемосорбция СО). 6. Анализ результатов. Подбор оптимального носителя для катализатора. Подготовка к публикации 1 статьи, предпочтительно в журналах Q1 и Q2. Второй год: 1. Оптимизация состава носителя с точки зрения окислительно-восстановительных свойств. Приготовление серии катализаторов на выбранном носителе. 2. Исследование каталитических свойств полученных катализаторов в низкотемпературной паровой конверсии модельных смесей ПНГ. Отбор оптимального катализатора. 3. Исследование вклада реакций гидрогенолиза и крекинга углеводородов в процесс НТПК на отобранном катализаторе. 4. Исследование нежелательного процесса зауглероживания в зависимости от температуры и мольного отношения Н2О:С на отобранном катализаторе. 5. Исследование механизма реакции низкотемпературной паровой конверсии модельных смесей алканов кинетическими методами и методом ИК in situ на отобранном катализаторе. 6. Анализ результатов. Выработка рекомендаций по оптимальным условиям проведения процесса НТПК на Rh-содержащих катализаторах. Подготовка к публикации 2 статей, предпочтительно в журналах Q1 и Q2. Результаты проекта будут обладать высоким уровнем научной новизны. Научная значимость результатов будет подтверждена публикациями в зарубежных журналах, предпочтительно квартилей Q1 и Q2. Практическое использование результатов будет направлено на создание основ технологии эффективной утилизации попутных нефтяных газов, что является важным шагом вперед при переходе к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике в России.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект РНФ № 21-73-00122 посвящен исследованию процесса низкотемпературной паровой конверсии (НТПК) С2+-углеводородов на родиевых катализаторах. Данный процесс представляет интерес в качестве перспективного метода подготовки попутных нефтяных газов (ПНГ) для дальнейшей утилизации. В ходе процесса НТПК происходит окисление С2+-углеводородов водяным паром и образование метана, а также некоторого количества водорода и CO2, что способствует увеличению метанового числа и теплоты сгорания получаемого газа. Ранее процесс НТПК был подробно исследован на никельсодержащих катализаторах; в рамках данного проекта исследуются родиевые системы. Родиевые катализаторы обладают преимуществами перед никелевыми системами, такими как более высокая устойчивость к зауглероживанию, стабильность, а также способность образовывать этан в качестве промежуточного продукта. В рамках первого этапа проекта были проведены работы по синтезу и исследованию свойств родиевых катализаторов, нанесенных на различные носители, такие как Al2O3, TiO2, Ce0.75Zr0.25O2 (далее – CeZr) и Ce0.4Zr0.5Y0.05La0.05O2 Ce (далее – Optalys). Rh-содержащие катализаторы были исследованы комплексом физико-химических методов (ПЭМ, БЭТ, ТПО, хемосорбция СО). Методом просвечивающей электронной микроскопии показано, что катализаторы содержат высокодисперсные частицы родия, которые равномерно распределены по поверхности носителя. Средний размер частиц родия на катализаторах 1% Rh/CeZr и 1% Rh/Optalys составляет порядка 1.5-2 нм, что согласуется с данными хемосорбции СО. Исследована активность полученных 1% Rh катализаторов на данных носителях в процессе НТПК пропан-метановой смеси. Показано, что наибольшей активностью обладают катализаторы, нанесенные на смешанные оксиды церия-циркония (CeZr и Optalys). Значительная активность катализатора 1% Rh/CeZr сохраняется после 60 часов испытаний в реакции НТПК. Таким образом, смешанные оксиды церия-циркония являются оптимальными носителями для родиевых систем, используемых в реакции НТПК. Активность Rh катализаторов, нанесенных на смешанные оксиды церия-циркония, обусловлена сильным взаимодействием металл-носитель, благодаря которому материал носителя частично восстанавливается вблизи частиц металлического родия. Методом температурно-программируемого восстановления показано, что формирование структуры Rh катализаторов, нанесенных на смешанный оксид церия-циркония, происходит при температурах до 300 °C. При температурах до 110 °C в атмосфере водорода происходит восстановление Rh(III) до Rh(0) c частичным восстановлением материала носителя вблизи частиц металлического родия, а при 190-280 °C происходит образование кислородных вакансий. Полученные результаты полностью отвечают задачам, заявленным на первый год выполнения проекта. По результатам работы принята к публикации статья в журнале «Катализ в промышленности»: Урлуков А.С., Усков С.И., Потемкин Д.И., Снытников П.В. «Каталитическая конверсия факельного газа на Rh катализаторах с последующей прямой монетизацией». URL-адрес, посвященный проекту: https://rscf.ru/project/21-73-00122/

 

Публикации

1. Урлуков А.С., Усков С.И., Потемкин Д.И., Снытников П.В. Каталитическая конверсия факельного газа на Rh катализаторах с последующей прямой монетизацией Катализ в промышленности, - (год публикации - 2022).