Синтез и разложение аммиака на нанесенных рутениевых катализаторах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

На основе анализа каталитических свойств 4%Ru–13.6%Cs/Сибунит и 4%Ru–5.4%Ba–7.9%Cs/Сибунит в процессах разложения аммиака (105 Па; 350–470°C) и синтеза аммиака (6 × 105–5 × 106 Па; 400–430°C), получено аналитическое выражение для скорости образования/расходования азота в обратимой реакции N2 + 3H2 \( \rightleftharpoons \) 2NH3, использование которого позволяет корректно описывать зависимость скорости химической реакции от парциальных давлений компонентов реакционной смеси как для прямой, так и для обратной реакции. В основе подхода, который был использован при поучении кинетического уравнения, лежит предположение о заполнении адсорбционных центров поверхности рутения водородом и последующем его вытеснении азотом при конкурентном взаимодействии. С использованием предложенного кинетического уравнения определены величины констант равновесия и кажущихся энергий активации для синтеза и разложения аммиака на катализаторах 4%Ru–13.6%Cs/Сибунит и 4%Ru–5.4%Ba–7.9%Cs/Сибунит, которые находятся в хорошем соответствии с данными, представленными в литературе.2

Об авторах

Д. А. Шляпин

Центр новых химических технологий ИК СО РАН, Институт
катализа СО РАН

Email: borisovtiger86@mail.ru
Россия, 644040, Омск, ул. Нефтезаводская, 54

В. А. Борисов

Центр новых химических технологий ИК СО РАН, Институт
катализа СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: borisovtiger86@mail.ru
Россия, 644040, Омск, ул. Нефтезаводская, 54

В. Л. Темерев

Центр новых химических технологий ИК СО РАН, Институт
катализа СО РАН

Email: borisovtiger86@mail.ru
Россия, 644040, Омск, ул. Нефтезаводская, 54

К. Н. Иост

Центр новых химических технологий ИК СО РАН, Институт
катализа СО РАН

Email: borisovtiger86@mail.ru
Россия, 644040, Омск, ул. Нефтезаводская, 54

З. А. Федорова

ФГБУН ФИЦ Институт катализа СО РАН

Email: borisovtiger86@mail.ru
Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 5

П. В. Снытников

ФГБУН ФИЦ Институт катализа СО РАН

Email: borisovtiger86@mail.ru
Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 5

Список литературы

  1. Boisen A., Dahl S., Nørskov J.K., Christensen C.H. // J. Catal. 2005. V. 230. № 2. P. 309. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2004.12.013
  2. Raróg-Pilecka W., Szmigiel D., Kowalczyk Z., Jodzis S., Zielinski J. // J. Catal. 2003. V. 218. № 2. P. 465. https://doi.org/10.1016/S0021-9517(03)00058-7
  3. Petrunin D.A., Borisov V.A., Iost K.N., Temerev V.L., Trenikhin M.V., Gulyaeva T.I., Shlyapin D.A., Tsyrulnikov P.G. // AIP Conf. Proc. 2019. V. 2141. P. 020024. https://doi.org/10.1063/1.5122043
  4. Kitano M., Kanbara S., Inoue Y., Kuganathan N., Sushko P.V., Yokoyama T., Hara M., Hosono H. // Nature Commun. 2015. V. 6. P. 6731. https://doi.org/10.1038/ncomms7731
  5. Hosono H., Kitano M. // Chem. Rev. 2021. V. 121. № 5. P. 3121. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c01071
  6. Hayashi F., Toda Y., Kanie Y., Kitano M., Inoue Y., Yokoyama T., Hara M., Hosono H. // Chem. Sci. 2013. V. 4. P. 3124. https://doi.org/10.1039/C3SC50794G
  7. Kulkarni S.R., Realpe N., Yerrayya A., Velisoju V.K., Sayas S., Morlanes N., Cerillo J., Katikaneni S.P., Paglieri S.N., Solami B., Gascon J., Castaño P. // Catal. Sci. Technol. 2023. V. 13. I. 7. P. 2026. https://doi.org/10.1039/D3CY00055A
  8. Yamazaki K., Matsumoto M., Ishikawa M., Sato A. // Appl. Catal. B: Environ. 2023. V. 325. P. 122352. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122352
  9. Kikugawa M., Goto Y., Kobayashi K., Nanba T., Matsumoto H., Imagawa H. // J Catal. 2022. V. 413. P. 934. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2022.08.004
  10. Sagel V.N., Rouwenhorst K.H.R., Faria J.A. // Energies. 2022. V. 15. P. 3374. https://doi.org/10.3390/en15093374
  11. Salmon N., Bañares-Alcántara R. // Sustain. Energy Fuels 2021. V. 5. P. 2814. https://doi.org/10.1039/D1SE00345C
  12. Nayak-Luke R.M., Bañares-Alcántara R. // Energy Environ. Sci. 2020. V. 13. P. 2957. https://doi.org/10.1039/D0EE01707H
  13. Rouwenhorst K.H., Van der Ham A.G., Mul G., Kersten S.R. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2019. V. 114. P. 109339. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109339
  14. Ufa R.A., Malkova Y.Y., Rudnik V.E., Andreev M.V., Borisov V.A. // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. P. 20347. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.04.142
  15. Reese M., Marquart C., Malmali M., Wagner K., Buchanan E., McCormick A., Cussler E.L. // Ind. Eng. Chem. Res. 2016. V. 55. P. 3742. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b04909
  16. Wen D., Aziz M. // Appl. Energy. 2022. V. 319. P. 119272. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2022.119272
  17. Темкин М.И., Морозов Н.М., Шапатина Е.Н. // Кинетика и катализ. 1963. № 2. Т. 4. С. 260.
  18. Аветисов А.К., Кучаев В.Л., Шапатина Е.Н., Зыскин А.Г. // Катализ в промышленности. 2008. № 5. С. 11.
  19. Peng P., Chen P., Schiappacasse C., Zhou N., Anderson E., Chen D., Liu J., Cheng Y., Hatzenbeller R., Addy M., Zhang Y., Liu Y., Ruan R. // J. Clean. Prod. 2018. V. 177. P. 597. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.12.229
  20. Aika K. // Catal. Today. 2017. V. 286. P. 14. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2016.08.012
  21. Javaid R., Nanba T., Matsumoto H. Kinetic Analysis of Ammonia Production on Ru Catalyst Under High Pressure Conditions. / In: CO2 Free Ammonia as an Energy Carrier. Eds. Aika K., Kobayashi H. Singapore: Springer, 2023. https://doi.org/10.1007/978-981-19-4767-4_18
  22. Egawa C., Nishida T., Naito S., Tamaru K. // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1: Phys. Chem. Cond. Phase. 1984. V. 80. № 6. P. 1595. https://doi.org/10.1039/F19848001595
  23. Tsai W., Weinberg W.H. // J. Phys. Chem. 1987. V. 91. № 20. P. 5302. https://doi.org/10.1021/j100304a034
  24. Bradford M.C.J., Fanning P.E., Vannice M.A. // J. Catal. 1997. V. 172. № 2. P. 479. https://doi.org/10.1006/jcat.1997.1877
  25. Sitar R., Shah J., Zhang Z., Wikoff H., Way J.D., Wolden C.A. // J. Memb. Sci. 2022. V. 644. P. 120147. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.120147
  26. Duan X., Zhou J., Qian G., Li P., Zhou X., Chen D. // Chin. J. Catal. 2010. V. 31. P. 979. https://doi.org/10.1016/S1872-2067(10)60097-6
  27. Lamb K., Hla S.S., Dolan M. // Int. J. Hydrogen Energy. 2019. V. 44. P. 3726. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.12.123
  28. Le T.A., Do Q.C., Kim Y., Kim T.-W., Chae H.-J. // Korean. J. Chem. Eng. 2021. V. 38. P. 1087. https://doi.org/10.1007/s11814-021-0767-7
  29. Tripodi A., Compagnoni M., Bahadori E., Rossetti I. // J. Ind. Eng. Chem. 2018. V. 66. P. 176. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2018.05.027
  30. Devkota S., Shin B.-J., Mun J.-H., Kang T.-H., Yoon H.C., Mazari S.A., Moon J.-H. // Fuel. 2023. V. 342. P. 127879. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.127879
  31. Zheng W., Zhang J., Xu H., Li. W. // Catal. Lett. 2007. V. 119. № 3. P. 311. https://doi.org/10.1007/s10562-007-9237-z
  32. Иост К.Н., Темерев В.Л., Смирнова Н.С., Шляпин Д.А., Борисов В.А., Муромцев И.В., Тренихин М.В., Киреева Т.В., Шилова А.В., Цырульников П.Г. // Журн. прикладной химии. 2017. Т. 90. № 6. С. 731. (Iost K.N., Temerev V.L., Smirnova N.S., Shlyapin D.А., Borisov V.А., Muromtsev I.V., Trenikhin M.V., Kireeva Т.V., Shilova A.V., Tsyrul’nikov P.G. // Russ. J. Appl. Chem. 2017. V. 90. P. 887.) https://doi.org/10.1134/S1070427217060088
  33. Борисов В.А., Иост К.Н., Петрунин Д.А., Темерев В.Л., Муромцев И.В., Арбузов А.Б., Тренихин М.В., Гуляева Т.И., Смирнова Н.С., Шляпин Д.А., Цырульников П.Г. // Кинетика и катализ. 2019. Т. 60. № 3. С. 394. (Borisov V.A., Iost K.N., Petrunin D.A., Temerev V.L., Muromtsev I.V., Arbuzov A.B., Trenikhin M.V., Gulyaeva T.I., Smirnova N.S., Shlyapin D.A., Tsyrulnikov P.G. // Kinet. Catal. 2019. V. 60. P. 372. )https://doi.org/10.1134/S0023158419030029
  34. Борисов В.А., Иост К.Н., Темерев В.Л., Леонтьева Н.Н., Муромцев И.В., Арбузов А.Б., Тренихин М.В., Савельева Г.Г., Смирнова Н.С., Шляпин Д.А. // Кинетика и катализ. 2018. Т. 59. № 2. С. 161. (Borisov V.A., Iost K.N., Temerev V.L., Leont’eva N.N., Muromtsev I.V., Arbuzov A.B., Trenikhin M.V., Savel’eva G.G., Smirnova N.S., Shlyapin D.A. // Kinet. Catal. 2018. V. 59. P. 136.) https://doi.org/10.1134/S0023158418020015
  35. Borisov V.A., Iost K.N., Temerev V.L., Fedotova P.A., Surovikin Y.V., Arbuzov B., Trenikhin V., Shlyapin D.A. // Diam. Relat. Mater. 2020. V. 108. P. 107986. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2020.107986
  36. Iost K.N., Borisov V.A., Temerev V.L., Smirnova N.S., Surovikin Y.V., Trenikhin M.V., Arbuzov A.B., Gulyaeva T.I., Shlyapin D.A., Tsyrulnikov P.G., Vedyagin A.A. // React. Kinet. Mech. Catal. 2019. V. 127. P. 85. https://doi.org/10.1007/s11144-019-01555-3
  37. Wu S., Tsang S.C.E. // Trends Chem. 2021. V. 3. P. 660. https://doi.org/10.1016/j.trechm.2021.04.010
  38. Ao R., Lu R., Leng G., Zhu Y., Yan F., Yu Q. // Energies. 2023. V. 16. P. 921. https://doi.org/10.3390/en16020921
  39. Seets D.C., Wheeler M.C., Mullins C.B. // J. Chem. Phys. 1995. V. 103. № 23. P. 10399. https://doi.org/10.1063/1.469878
  40. Dahl S., Törnqvist E., Chorkendorff I. // J. Catal. 2000. V. 192. № 2. P. 381. https://doi.org/10.1006/jcat.2000.2858
  41. Shustorovich E., Bell A.T. // Surf. Sci. Lett. 1991. V. 259. № 3. P. L791. https://doi.org/10.1016/0167-2584(91)90311-E
  42. Zhang T., Zhou R., Zhang S., Zhou R., Ding J., Li F., Hong J., Dou L., Shao T., Murphy A.B., Ostrikov K., Cullen P.J. // Energy Environ. Mater. 2023. V. 6. P. e12344. https://doi.org/10.1002/eem2.12344
  43. Rouwenhorst K.H.R., Kim H.-H., Lefferts L. // ACS Sustain. Chem. Eng. 2019. V. 7. P. 17515. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b04997
  44. Fernández C., Bion N., Gaigneaux E.M., Duprez D., Ruiz P. // J. Catal. 2016. V. 344. P. 16. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2016.09.013
  45. Hinrichsen O. // Catal. Today. 1999. V. 53. № 2. P. 177. https://doi.org/10.1016/S0920-5861(99)00115-7
  46. Shi H., Jacobi K., Ertl G. // J. Chem. Phys. 1993. V. 99. № 11. P. 9248. https://doi.org/10.1063/1.465541
  47. Dietrich H., Geng P., Jacobi K., Ertl G. // J. Chem. Phys. 1996. V. 104. № 1. P. 375. https://doi.org/10.1063/1.470836
  48. Dahl S., Sehested J., Jacobsen C.J.H., Törnqvist E., Chorkendorff I. // J. Catal. V. 192. P. 391. https://doi.org/10.1006/jcat.2000.2857
  49. Yuan P.-Q., Ma Y.-M., Cheng Z.-M., Zhu Y.-A., Yuan W.-K. // J. Mol. Struct. Theochem. 2007. V. 807. P. 185. https://doi.org/10.1016/j.theochem.2006.12.023
  50. Zhao P., He Y., Cao D.-B., Wen X., Xiang H., Li Y.-W., Wanga J., Jiao H. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2015. V. 17. P. 19446. https://doi.org/10.1039/C5CP02486B
  51. Zupanc C., Hornung A., Hinrichsen O., Muhler M. // J. Catal. 2002. V. 209. P. 501. https://doi.org/10.1006/jcat.2002.3647
  52. Шаповалова Л.Б., Закумбаева Г.Д., Габдракипов А.В. // Нефтехимия. 2003. Т. 43. № 3. С. 192.
  53. Антонов А.Ю., Быстрова О.С., Боева О.А., Жаворонкова К.Н. // Успехи в химии и химической технологии. 2007. Т. 21. С. 13.
  54. Антонов А.Ю., Винокурова О.В., Хейн В.Л., Быстрова О.С., Боева О.А., Жаворонкова К.Н. // Успехи в химии и химической технологии. 2008. Т. 22. № 8. С. 66.
  55. Zhang Z., Karakaya C., Kee R.J., Way D., Wolden C.A. // ACS Sustain. Chem. Eng. 2019. V. 7. P. 18038. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b04929
  56. Lucentini I., Garcia X., Vendrell X., Llorca J. // Ind. Eng. Chem. Res. 2021. V. 60. № 51. P. 18560. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c00843
  57. Muhler M., Rosowski F., Hinrichsen O., Hornung A., Ertl G. // Stud. Surf. Sci. Catal. 1996. V. 101. P. 317. https://doi.org/10.1016/S0167-2991(96)80242-4
  58. Aika K., Takano T., Murata S. // J. Catal. 1992. V. 136. № 1. P. 126. https://doi.org/10.1016/0021-9517(92)90112-U
  59. Городецкий В.В. // Кинетика и катализ. 2009. Т. 50. № 2. С. 322. (Gorodetskii V.V. // Kinet. Catal. 2009. V. 50. P. 304.) https://doi.org/10.1134/S0023158409020220
  60. Елохин В.И., Матвеев А.В., Городецкий В.В. // Кинетика и катализ. 2009. Т. 50. № 1. С. 46. (Elokhin V.I., Matveev A.V., Gorodetskii V.V. // Kinet. Catal. 2009. V. 50. P. 40.) https://doi.org/10.1134/S0023158409010066
  61. Elokhin V.I., Matveev A.V., Kovalyov E.V., Gorodetskii V.V. // Chem. Eng. J. 2009. V. 154. P. 94. https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.04.046
  62. Gorodetskii V.V., Sametova A.A., Matveev A.V., Tapilin V.M. // Catal. Today. 2009. V. 144. P. 219. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2008.12.014
  63. Городецкий В.В., Матвеев А.В., Брылякова А.А. // Кинетика и катализ. 2010. Т. 51. № 6. С. 902. (Gorodetskii V.V., Matveev A.V., Brylyakova A.A. // Kinet. Catal. 2010. V. 51. P. 873.) https://doi.org/10.1134/S0023158410060133
  64. Wittreich G.R., Liu S., Dauenhauer P.J., Vlachos D.G. // Sci. Adv. 2023. V. 8. P. eabl6576. https://doi.org/10.1126/sciadv.abl6576
  65. Ruzankin S.F., Avdeev V.I., Dobrynkin N.M., Zhidomirov G.M., Noskov A.S. // J. Struct. Chem. 2003. V. 44. P. 341. https://doi.org/10.1023/B:JORY.0000009659.26326.cd
  66. Ohmer N. Stability of bulk and surface ruthenium nitrogen and hydrogen structures: A first-principles atomistic thermodynamics study. Diploma Thesis, Carl von Ossietzky Universität, Oldenburg, 2010. https://hdl.handle.net/11858/00-001M-0000-0010-F764-0
  67. Jacobi K., Wang Y., Fan C.Y., Dietrich H. // J. Chem. Phys. 2001. V. 115. P. 4306. https://doi.org/10.1063/1.1390523

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2.

Скачать (28KB)
Метаданные
3.

Скачать (38KB)
Метаданные
4.

Скачать (1MB)
Метаданные

© Д.А. Шляпин, В.А. Борисов, В.Л. Темерев, К.Н. Иост, З.А. Федорова, П.В. Снытников, 2023