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 23-29-00369

НазваниеРазработка новых альтернативных подходов к получению водорода путем переработки биовозобновляемого сырья (биоспиртов -этанола, глицерина) с одновременным удалением углерода из атмосферы

РуководительЖукова Анна Ивановна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2024 г.

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые словаБиовозобновляемое сырье, этанол, глицерин, углекислотная конверсия, углекислый газ, синтез газ, водородная энергетика, ресурсосбережение

Код ГРНТИ31.15.28

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на создание технологии получения водорода путем конверсии биовозобновляемого сырья (биоспиртов) с одновременным удалением углерода из атмосферы, что позволяет расширить возможности использования возобновляемых углеводородов, таких как этанол и глицерин для снижения углеродного следа. Проект одновременно решает проблему химической утилизации парникового газа используя доступные и эффективное преобразование биоспиртов. К задачам проекта относится разработка методики получения высокоэффективных и стабильных к дезактивации катализаторов на основе сложных оксидов алюминия-церия-циркония с переходными металлами в качестве активной фазы. В ходе выполнения проекта планируется систематически изучить свойства сложных оксидов алюминия-церия-циркония, оценить влияние концентрации и соотношения прекурсоров, стабилизирующих и структурообразующих добавок, температуры синтеза на степень кристаллизации, размер кристаллитов, удельную поверхность и морфологию частиц. Полученные сложнооксидные системы будут модифицированы введением добавок никеля и/или меди, и исследованы в реакции углекислотной конверсии биотоплива – этанола, глицерина и их смеси. Будут определены условия качества биоспиртов (наличие примесей) для успешной реализации целевого процесса, а также условия проведения реакции, частности соотношение спирт/СО2. Реакция углекислотной конверсии этанола и глицерина и их смеси в синтез-газ на катализаторах такого типа будет исследована впервые. В результате реализации проекта будет сформирована стратегия эффективного преобразования этанола и глицерина с CO2 в водород. Актуальность проблемы. Глобальное потепление, вызванное в основном огромным выбросом парникового газа, стало одной из главных проблем для поддержания устойчивого развития. Среди методов преобразования CO2 в продукты с добавленной стоимостью риформинг CO2 с этанолом (C2H6O + CO2 →3CO + 3 H2) считается перспективным процессом по сравнению с углекислотным риформингом метана (CH4 + CO2 →2CO + 2 H2). Спирты, полученные из возобновляемой биомассы, более экологичны по сравнению с ископаемым метаном, что отвечает требованиям устойчивого развития. Вышеперечисленные достоинства и наблюдаемый растущий интерес к тематике наряду с ограниченным числом научных результатов по созданию эффективного катализатора и оптимальных условий процесса углекислотной конверсии спиртов обуславливают необходимость технологических разработок и формирования фундаментальных основ.

Ожидаемые результаты
Значимость в проведение исследований в области разработки новых альтернативных подходов к переработке биовозобновляемого сырья (биоспиртов - этанола, глицерина) в ценные химические продукты заключается в возможности обеспечения перехода от исключительно нефтехимической промышленности к альтернативной химической промышленности на биологической основе. По сравнению с другими смежными областями исследований, которые обобщили внедрение потоковых технологий, таких как фармацевтическая область, непрерывная модернизация технологических платформ на основе биологических веществ по-прежнему является развивающейся областью исследований не только в РФ, но и во всем мире. Проект одновременно решает проблему химической утилизации парникового газа – крупнотоннажного побочного продукта промышленности и продуктов ферментации биомассы - биоспиртов, что отвечает требованиям устойчивого развития и принципам ресурсосбережения. Проведение исследований по углекислотной конверсии спиртов позволит разработать технологические решения с меньшим воздействием на окружающую среду и быстрым переходом от лаборатории к рынку, в частности, решить проблемы утилизации углекислого газа, а также глицерина - отхода производства биодизеля, способствовать развитию водородной энергетики и малотоннажных химических производств. При выполнении проекта будут получены следующие результаты: Создание экологичной и эффективной технологии получения ценных химических соединений с высокими выходами и селективностью в условиях проточного реактора из биоспиртов (этанола, глицерина) и углекислого газа. Установление закономерностей технологически упрощенного синтеза с низким уровнем воздействия на окружающую среду высокоселективных катализаторов углекислотной конверсии биоспиртов на основе смешанных оксидов циркония-церия-алюминия, в том числе и с нанесением активной фазы неблагородных (переходных) металлов (никеля и меди) для управления функциональными свойствами получаемых материалов. Полученные катализаторы будут впервые исследованы в реакции углекислотной конверсии спиртов. Будут выбраны наиболее эффективные катализаторы для каждой молекулы спирта (этанола, глицерина, смеси этанол/глицерин) с учетом условий проведения процесса. Катализаторы будут устойчивы к зауглероживанию в условиях проведения реакции. Будет проведена оптимизация условий проведения процесса углекислотной конверсии: состав биовозобновляемого сырья (этанол, глицерин, смесь этанол/глицерин), соотношение исходных продуктов реакции (спирт/со2) и температурный режим (высокий выход водорода, наименьшая дезактивация катализатора).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Разработаны методики приготовления никельсодержащих катализаторов на основе алюмо–иттербий стабилизированной цирконий оксидной системы (Al2O3-(Zr-Yb)O2) и алюмо–церий стабилизированной цирконий оксидной системы (Al2O3-(Zr-Ce)O2) с различными соотношениями Al/Zr, разным содержанием нанесенной фазы никеля (5-10 вес. %). Полученные катализаторы были испытаны в реакции углекислотной конверсии этанола (УКЭ) в диапазоне температур 600-750⁰C с различным мольным соотношением реагентов CO2/этанол. Установлено, что в ряду Ni/Al2O3-(Zr-Yb)O2 (Ni/xAZ) образцов при соотношении CO2/этанол = 1/1, наибольшую активность при 600⁰C проявил Ni/35AZ (выход 43% Н2, выход 38% СО), наилучшее соотношение H2/CO было достигнуто при 800⁰C и составляло 1,2 независимо от состава образца. При увеличении концентрации CO2 при CO2/этанол = 1,4/1 активность Ni/35AZ образца возрастала (выход H2 47%, выход CO 44% при 600⁰C), и наилучшее соотношение H2/CO составляло 1 при T=750⁰C. Различия в каталитической активности образцов связаны с различным соотношением слабо и сильно взаимодействующих форм никеля и их количества в зависимости от соотношения Al/Zr. Наибольшая каталитическая активность и стабильность Ni/35AZ обусловлена наличием ферромагнитных Ni частиц, образующихся при восстановлении оксидных форм никеля при умеренном межфазном взаимодействии металл-носитель, при этом Ni/65AZ характеризуется наличием большего количества высокодисперсных частиц никеля, образующихся при восстановлении шпинельных форм никеля при сильном взаимодействии с поверхностью, а также более крупных частиц, образующихся из NiO при слабом взаимодействии с носителем. Испытание стабильности катализатора в низкотемпературной области (7,5 ч, условия реакции: CO2/этанол=1/1, T=600⁰C) показало различное поведение образцов с различным содержанием алюминия. Ni/35AZ быстрее достигал стабильного режима с самыми высокими выходами (58% выход Н2, 48% выход СО), что коррелирует с природой углерода на поверхности с нерегулярной аморфной структурой, которая, образуясь на Ni/35AZ, не приводит к снижению каталитической стабильности и выходу H2 и CO и вносит меньший вклад в образование карбидов под влиянием реакционной среды. Показана высокая активность Ni катализаторов, приготовленных на Al2O3-(Zr-Ce)O2 (ACZ) носителях. В условиях теста на долговременную стабильность высокая активность характерна для Ni/50%Al2O3-50%(Zr-Ce)O2, связанная с отсутствием побочных реакций в процессе УКЭ и минимизации процесса углеотложения за счет присутствия оксидов церия.

Публикации

1. Жукова А., Фионов Ю., Чуклина С., Михаленко И., Фионов А., Исайкин О., Жуков Д., Лима А. CO2 REFORMING OF ETHANOL OVER Ni/Al2O3-(Zr-Yb)O2 CATALYSTS: THE EFFECT OF Zr:Al RATIO ON NICKEL ACTIVITY AND CARBON FORMATION Energy & Fuels, - (год публикации - 2023)

2. Жукова А.И., Чуклина С.Г., Фионов Ю.А., Вахрушев Н., Сазонова А.Д., Михаленко И.И., Жуков Д.Ю., Исайкина О.Я., Фионов А.В., Ильичева А. Enhanced ethanol dehydrogenation over Ni‑containing zirconia‑alumina catalysts with microwave‑assisted synthesis Research on Chemical Intermediates, Springer Nature, Volume 49, issue 12 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s11164-023-05174-5