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 24-29-00661
НазваниеОдностадийный синтез катализаторов для переработки природного газа с повышенным содержанием сероводорода
Руководитель Курмашов Павел Борисович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" , Новосибирская обл
Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии
Ключевые слова водородная энергетика, водород, метан, катализ, горение растворов, углеродные наноматериалы, синтез, экология, углерод
Код ГРНТИ61.13.21
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Вопросы поиска новых путей переработки легких углеводородов ряда С1-С4 являются очень актуальными для российской и мировой промышленности. Одним из перспективных процессов переработки природного газа является каталитический пиролиз. Основным в его реализации является создание эффективного катализатора, обладающего целым комплексом функциональных характеристик. Относительно новым способом создания подобных катализаторов является горение растворов, который представляет собой одностадийный синтез, без образования стоков. Такой способ не требует предварительного восстановления катализатора водородом. Данный проект направлен на получение и исследование каталитических систем для пиролиза метана. Катализаторы будут синтезированы методом горения растворов (solution combustion) с использованием новых топлив (мочевина, сахароза, щавелевая кислота). Будут установлены оптимальные параметры синтеза катализаторов и состава компонентов в них, что важно не только для понимания процесса формирования каталитических наночастиц, но и для его промышленного применения. Многообещающим подходом является получение S-допированного углерода при одновременном получении водорода. Впервые в качестве сырья для получения углеродных наноматериалов и водорода на solution combustion катализаторах будет использован метан в смеси с сероводородом (до 30 об.%), что будет имитировать реальный состав природного газа. Для подавления негативного воздействия сероводорода на время жизни катализатора будет использоваться каталитический пиролиз при давлениях выше атмосферного. С точки зрения рационального использования продуктов реакции, будет протестировано новое применение S-допированного углеродного материала в качестве активного материала для газовых сенсоров диоксида азота, работающих при комнатной температуре. В результате работ по проекту будут развиты методики создания solution combustion катализаторов для переработки природного газа с высоким содержанием сероводорода. Данные технологии перспективны для массового использования. Будут получены новые данные о формировании структуры и морфологии наночастиц катализатора, их работе в процессе, при использовании сырья максимально приближенного к реальному составу природного газа и попутного нефтяного газа различных месторождений. Результаты, полученные при исследовании свойств систем Ni-Cu/Al2O3, Fe-Mo/Al2O3, Fe-Co/Al2O3 смогут быть обобщены на широкий класс катализаторов для ряда процессов нефтехимии и нефтепереработки.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Были получены кинетические закономерности разложения природного газа с повышенным содержанием сероводорода на катализаторах Ni-Cu/Al2O3, Fe-Mo/Al2O3, полученных solution combustion синтезом. Были получены углеродные нановолокна, многостенные углеродные нановолокна, S-допированные углеродные нановолокна (содержание S на уровне не выше 2,1%). Получены катализаторы Ni-Cu/Al2O3, Fe-Mo/Al2O3 методом solution combustion синтеза при использовании мочевины, сахарозы, щавелевой кислоты в качестве топлив и исследованы их физико-химические свойства. Среди исследуемых систем, закономерно, наибольшими выходами обладала система Ni-Cu/Al2O3, в то время, как Fe-Mo/Al2O3 катализаторы показали низкую активность вне зависимости от используемого топлива и коэффициента φ (выход углерода и водорода при разложении метана 6-12 г/гкат и 0,9 – 1,7 моль/гкат). Выполнена оптимизация условий синтеза катализаторов Ni-Cu/Al2O3, Fe-Mo/Al2O3, главным образом, за счет варьирования коэффициента избытка топлива φ, как наиболее весомого фактора при печном инициировании синтеза. Были показано, что для катализаторов 80%Ni-10%Сu/Al2O3 характерно повышение среднего размера кристаллитов при φ стремящимся к 0 (топливо: мочевина, сахароза, щавелевая кислота) с 10 до 28 нм. Удельная поверхность катализаторов при это снижается с 86 м2/г до 62 м2/г. Установлено, что катализаторы на базе сахарозы, как топлива, характеризуются наибольшей удельной поверхностью (до 128 м2/г), но не показывают устойчивую зависимость активности от φ в силу сильной карбонизации топлива (до 15% содержание углерода в катализаторе). Установлено, что активность синтезированных катализаторов в H2S-содержащих смесях падает крайне быстро и на следующем этапе потребует отдельно предусмотреть подходы для очистки газа от H2S. Показано, что удельная поверхность углеродных нановолокон на Ni-Сu/Al2O3 системе разнится при использовании различного топлива. При 1 атм, 550°С (метан) наибольшая Sуд наблюдалось для щавелевой кислоты (212 м2/г). При работе на повышенных давлениях могут быть получены более пористые материалы. В среднем, для всех систем наблюдается повышение времени жизни катализатора при повышении давления относительно атмосферного. Для всех катализаторов, полученных методом solution combustion synthesis характерна способность частиц диспергироваться на мелкие при разложении углеводородов. На это указывает значительное превышении размера кристаллитов, размера частиц катализатора синтезированного и катализатора, который наблюдался в углеродных нановолокнах и многостенных углеродных нанотрубках по данных ПЭМ.
Результаты работы по проекту были представлены на международной конференции ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КАТАЛИТИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ (ДПКС 2024) (два доклада устных доклада: Курмашов П.Б. "Исследование эффективности технологии переработки ПНГ на катализаторах системы Ni-Cu в каталитическом реакторе при повышенном давлении", Гудыма Т.С. "Применение органических восстановителей для синтеза Ni/Cu/Al2O3 катализаторов методом горения").
Популяризация и открытое освещение результатов деятельности, проводимой в рамках реализации проекта, проводились путем публикаций на сайтах и официальных группах в СМИ:
https://www.nstu.ru/announcements/news_more?idnews=154582
https://www.nstu.ru/interviews/news_more?idnews=160385
https://www.nstu.ru/announcements/news_more?idnews=161001
Публикации
1. Гудыма Т.С., Курмашов П.Б., Баннов А.Г. Применения органических восстановителей для синтеза Ni/Cu/Al2O3 катализаторов методом горения Международная конференция ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КАТАЛИТИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ ДПКС 2024 , Международная конференция «ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КАТАЛИТИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ» (ДПКС 2024), Сборник тезисов, (28 октября – 1 ноября 2024 г., Тюмень, Россия) [Электронный ресурс] / под редакцией д.т.н. Загоруйко А.Н. (год публикации - 2024)
2. Курмашов П.Б., Гудыма Т.С., Головахин В., Ухина А.В., Максимовский Е.А., Ищенко А.В., Баннов А.Г. СИНТЕЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ NiCu/Al2O3 МЕТОДОМ «ГОРЕНИЯ РАСТВОРОВ» С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ САХАРОЗЫ В КАЧЕСТВЕ ВОССТАНОВИТЕЛЯ СИНТЕЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ NI-CU/AL2O3 МЕТОДОМ ГОРЕНИЯ РАСТВОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ САХАРОЗЫ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА (год публикации - 2025)
3. Курмашов П.Б., Гудыма Т.С., Баннов А.Г. Исследование эффективности технологии переработки ПНГ на катализаторах системы Ni-Cu в каталитическом реакторе при повышенном давлении Международная конференция ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КАТАЛИТИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ ДПКС 2024 , Международная конференция «ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КАТАЛИТИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ» (ДПКС 2024), Сборник тезисов, (28 октября – 1 ноября 2024 г., Тюмень, Россия) [Электронный ресурс] / под редакцией д.т.н. Загоруйко А.Н. (год публикации - 2024)
4.
Курмашов П.Б., Тимофеев В.С., Ухина А.В., Ищенко А.В., Ларина Т.В., Чесалов Ю.А., Тан Л., Чен И., Максимовский Е.А., Баннов А.Г.
Statistical modeling of solution combustion synthesis for Ni/A2O3 catalyst in methane decomposition to hydrogen and carbon nanofibers
International Journal of Hydrogen Energy, Statistical modeling of solution combustion synthesis for Ni/A2O3 catalyst in methane decomposition to hydrogen and carbon nanofibers / P. B. Kurmashov, V. S. Timofeev, A. G. Bannov [et al.]. – DOI 10.1016/j.ijhydene.2024.09.254. – Text : direct // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 89. – P. 1342–1353. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.09.254
5. Шпакова С.А., Малыхина К.В., Курмашов П.Б. Гидротермальный синтез Ni-Cu катализаторов разложения метана Химия и химическая технология в XXI веке, Химия и химическая технология в XXI веке : материалы XXV Юбилейной Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.П. Лопатинского. В 2 томах. Том 2 (г. Томск, 20–24 мая 2024 г.) / Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2024. – 423 с. (год публикации - 2024)
6. Малыхина К.В., Шпакова С.А., Курмашов П.Б. Реализация технологии переработки метана на Ni-Cu катализаторах Химия и химическая технология в XXI веке, Химия и химическая технология в XXI веке : материалы XXV Юбилейной Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.П. Лопатинского. В 2 томах. Том 2 (г. Томск, 20–24 мая 2024 г.) / Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2024. – 423 с (год публикации - 2024)