Не содержащий переходных металлов цеолитный катализатор для прямого превращения метана в метанол

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 17 июня 2024 г., 13:21:58 MSK
  • 0 комментариев
  • 14 просмотров
В процессе прямого окисления метана в метанол преобладают катализаторы на основе переходных или благородных металлов, что делает реакцию довольно дорогостоящей. Чтобы сделать процесс эффективным и экономичным, исследователи разработали не содержащий переходных металлов алюмосиликатно-ферритовый цеолитный катализатор, который может производить метанол, используя метан и закись азота в качестве исходных материалов. Новый катализатор обеспечивает превосходную эффективность производства метанола, которая на сегодняшний день является одной из самых высоких в литературе.

В последние годы большое внимание уделяется технологии преобразования парниковых газов в материалы с добавленной стоимостью. Одной из таких технологий является каталитическая конверсия метана в метанол, широко используемый промышленный растворитель и сырье для химического синтеза. Промышленный процесс преобразования метана в метанол является чрезвычайно энергоемким и ресурсоемким. За последнее десятилетие ученые разработали несколько каталитических систем, которые могут обеспечить прямое окисление метана в метанол. Однако большинство из них основаны на редких и дорогих переходных или благородных металлах.

В недавнем исследовании группа исследователей, возглавляемая доцентом Тошиюки Екои и включающая доцента Пейпея Сяо из отдела нанокосмического катализа Института инновационных исследований Токийского технологического института, Япония, нашли решение существующей проблемы в виде алюмосиликата, не содержащего переходных металлов ферриеритовый (FER) цеолит. FER - это двумерный цеолит с 8-кольцевыми каналами и пересекающимися 10-кольцевыми каналами, который, как известно, обладает высокой устойчивостью к химическим и термическим обработкам. Воспользовавшись этим уникальным структурным свойством, Йокои и его команда впервые продемонстрировали прямое окисление метана до метанола с использованием закиси азота в качестве источника кислорода. Результаты этого исследования были опубликованы в Интернете 1 апреля 2024 года. Журнал Американского химического общества10 апреля 2024 года.

"Цеолиты с заменой на переходные металлы широко используются в системах газофазных и жидкофазных реакций. Сообщалось, что активные центры таких соединений основаны на природных биокаталитических ферментных системах. В то время как катализаторы с добавлением переходных металлов довольно популярны, цеолитные катализаторы, состоящие только из элементов основной группы, для прямого окисления метана в метанол оставались неизученными", - отмечает Йокои, отвечая на вопрос о мотивации разработки цеолитов FER.

Чтобы получить четкое представление об активных центрах в цеолитном катализаторе, команда ученых провела инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье (FTIR) и магнитно-резонансную спектроскопию. Тесты выявили искаженную тетракоординацию Al в каркасе и пентакоординацию Al в дополнительном каркасе, образовавшемся в процессе активации, прокаливания и реакции. Эти структуры были определены как потенциальные активные центры. Команда также исследовала возможный путь реакции с помощью ИК-спектров адсорбции закиси азота и наблюдения за реакционными свойствами различных окислителей. Они обнаружили, что процесс начинается с поглощения закиси азота активными центрами Al и образования "a-O", что приводит к выделению азота. За этим последовала адсорбция метана на активном "a-O"-участки и разрыв C−H-связей. После разрыва связи путем десорбции с последующим выделением активных форм алюминия был получен метанол.

Новый процесс прямого окисления, катализируемый цеолитами, не содержащий переходных металлов, позволил 305 ммоль г−1 минута−1 скорость получения метанола при 89%-ной селективности по метанолу и 10%-ной селективности по диметиловому эфиру, таким образом, является одной из самых высоких характеристик, о которых сообщалось в литературе, даже лучше, чем у многих катализаторов, содержащих переходные металлы.

"Наши результаты откроют совершенно новый путь для разработки технологии прямого окисления метана в метанол на алюмосиликатных цеолитах, не содержащих переходных металлов, что позволит использовать метан и закись азота для получения других полезных химических веществ на алюмосиликатных цеолитах с различной топологической структурой", - добавляет Йокои, описывая реальные результаты. выводы из их исследований.

В целом, новая стратегия, предложенная в этом исследовании, может оказать положительное воздействие на окружающую среду за счет сокращения количества парниковых газов, циркулирующих в атмосфере, и способствовать экономии за счет облегчения синтеза ценных химических веществ из нежелательного сырья.

Комментарии

0 комментариев