Переработка диоксида углерода с использованием плазмы в присутствии магний-цериевых катализаторов с различной морфологией

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Синтезирован ряд CeO2-MgO-катализаторов с различным мольным соотношением для плазменно-каталитического разложения CO2 до CO и О2. Катализаторы были приготовлены золь-гель методом и охарактеризованы физико-химическими методами анализа (рентгенофазовый анализ, растровая электронная микроскопия, рентгенофотоэлектронная спекроскопия, низкотемпературная адсорбция-десорбция азота, термопрограммированная десорбция CO2). Установлено, что наивысшая конверсия CO2 (31%) достигается в присутствии катализатора с наибольшим содержанием CeO2. Исследовано также введение в систему H2; показано, что метанирования CO2 в присутствии синтезированных образцов не происходит, однако конверсия CO2 до CO увеличивается вследствие повышения мощности разряда в присутствии молекулярного водорода.

Об авторах

О. В. Голубев

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: golubev@ips.ac.ru
119991, Moscow, Russia

П. С. Ильчук

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: petrochem@ips.ac.ru
119991, Moscow, Russia

А. А. Садовников

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: petrochem@ips.ac.ru
119991, Moscow, Russia

А. Л. Максимов

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: petrochem@ips.ac.ru
119991, Moscow, Russia

Список литературы

  1. Schlager S., Fuchsbauer A., Haberbauer M., Neuge-bauer H., Sariciftci N.S. Carbon dioxide conversion to synthetic fuels using biocatalytic electrodes // J. Mater. Chem. A. 2017. V. 5. P. 2429-2443. https://doi.org/10.1039/C6TA07571A
  2. Chen Y., Guan B., Wu X., Guo J., Ma Z., Zhang J., Jiang X., Bao S., Cao Y., Yin C., Ai D., ChenY., Lin H., Huang Z. Research status, challenges and future prospects of renewable synthetic fuel catalysts for CO2 photocatalytic reduction conversion // Environ. Sci. Pollut. Res. 2023. V. 30. P. 11246-11271. https://doi.org/10.1007/s11356-022-24686-y
  3. Li J., Wang L., Cao Y., Zhang C., He P. Li H. Recent advances on the reduction of CO2 to important C2+ oxygenated chemicals and fuels // Chin. J. Chem. Eng. 2018. V. 26. P. 2266-2279. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2018.07.008
  4. Liu B., Qin J., Shi J., Jiang J., Wu X., He Z. New perspectives on utilization of CO2 sequestration technologies in cement-based materials // Constr. Build. Mater. 2021. V. 272. ID 121660. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.121660
  5. Saravanan A., Deivayanai V.C., Senthil Kumar P., Rangasamy G., Varjani S. CO2 bio-mitigation using genetically modified algae and biofuel production towards a carbon net-zero society // Bioresour. Technol. 2022. V. 363. ID 127982. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127982
  6. Snoeckx R., Bogaerts A. Plasma technology - a novel solution for CO2 conversion? // Chem. Soc. Rev. 2017. V. 46. ID 5805. https://doi.org/10.1039/C6CS00066E
  7. Adwek G., Shen B., Craven M., Wang Y., Kang D., Wu C., Tu X. A review of non-thermal plasma technology: a novel solution for CO2 conversion and utilization // Renew. Sust. Energ. Rev. 2021. V. 135. ID 109702. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.109702
  8. Chen G., Snyders R., Britun N. CO2 conversion using catalyst-free and catalyst-assisted plasma-processes: recent progress and understanding // J. CO2 Util. 2021. V. 49. ID 101557. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2021.101557
  9. Debjyoti R., Ye P., Yu J.C., Song C. Recent progress in plasma-catalytic conversion of CO2 to chemicals and fuels // Catal. Today. 2022. V. 423. ID 113973. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2022.12.004
  10. Kozák T., Bogaerts A. Evaluation of the energy efficiency of CO2 conversion in microwave discharges using a reaction kinetics model // Plasma Sources Sci. Technol. 2015. V. 24. ID 015024. http://dx.doi.org/10.1088/0963-0252/24/1/015024
  11. Lebedev Yu.A., Shakhatov V.A. Decomposition of carbon dioxide in microwave discharges (an analytical review) // Russ. J. Appl. Chem. 2022. V. 95. P. 1-20. http://doi.org/10.1134/S1070427222010018
  12. Ong M.Y., Nomanbhay S., Kusumo F., Show P.L. Application of microwave plasma technology to convert carbon dioxide (CO2) into high value products: a review // J. Clean. Prod. 2022. V. 336. ID 130447. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.130447
  13. Nunnally T., Gutsol K., Rabinovich A., Fridman A., Gutsol A., Kemoun A. Dissociation of CO2 in a low current gliding arc plasmatron // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. ID 274009. https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/27/274009
  14. Liu J.-L., Wang X., Li X.-S., Likozar B., Zhu A.-M. CO2 conversion, utilisation and valorisation in gliding arc plasma reactors // J. Phys. D. Appl. Phys. 2020. V. 53. ID 253001. http://dx.doi.org/10.1088/1361-6463/ab7c04
  15. Zhang H., Li L., Xu R., Huang J., Wang N., Li X., Tu X. Plasma-enhanced catalytic activation of CO2 in a modified gliding arc reactor // Waste Dispos. Sustain. Energy. 2020. V. 2. P. 139-150. https://doi.org/10.1007/s42768-020-00034-z
  16. Bogaerts A., Kozak T., van Laer K., Snoeckx R. Plasma-based conversion of CO2: current status and future challenges // Faraday Discuss. 2015. V. 183. ID 217. https://doi.org/10.1039/C5FD00053J
  17. Ray D., Subrahmanyam Ch. CO2 decomposition in a packed DBD plasma reactor: influence of packing materials // RSC Adv. 2016. V. 6. P. 39492-37499. https://doi.org/10.1039/C5RA27085E
  18. Michielsen I., UytdenhouwenY., Pype J., Michielsen B., Mertens J., Reniers F., Meynen V., Bogaerts A. CO2 dissociation in a packed bed DBD reactor: first steps towards a better understanding of plasma catalysis // Chem. Eng. J. 2017. V. 326. P. 477-488. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.05.177
  19. Xu S., Whitehead C.J., Martin P.A. CO2 conversion in a non-thermal, barium titanate packed bed plasma reactor: the effect of dilution by Ar and N2 // Chem. Eng. J. 2017. V. 327. P. 764-773. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.090
  20. Lu N., Sun D., Zhang C., Jiang N., Shang K., Bao X., Li J., Wu Y. CO2 conversion in non-thermal plasma and plasma/g-C3N4 catalyst hybrid processes // J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. V. 51. ID 094001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aaa919
  21. Ashford B., Wang Y., Poh C.-K., Chen L., Tu X. Plasma-catalytic conversion of CO2 to CO over binary metal oxide catalysts at low temperatures // Appl. Catal. B 2020. V. 276. ID 119110. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119110
  22. Wang L., Du X., Yi Y., Wang H., Gul M., Zhu Y., Tu X. Plasma-enhanced direct conversion of CO2 to CO over oxygen-deficient Mo-doped CeO2 // Chem. Commun. 2020. V. 56. P. 14801-14804. https://doi.org/10.1039/D0CC06514E
  23. Golubev O.V., Maksimov A.L. Plasma-assisted catalytic decomposition of carbon dioxide // Russ. J. Appl. Chem. 2022. V. 95. P. 617-630. https://doi.org/10.1134/S1070427222050019
  24. Duan X., Hu Z., Li Y., Wang B. Effect of dielectric packing materials on the decomposition of carbon dioxide using DBD microplasma reactor // AIChE J. 2015. V. 61. P. 898-903. https://doi.org/10.1002/aic.14682
  25. Mei D., He Y., Liu S., Yan J., Tu X. Optimization of CO2 conversion in a cylindrical dielectric barrier discharge reactor using design of experiments // Plasma Process. Polym. 2016. V. 13. P. 544-556. https://doi.org/10.1002/ppap.201500159
  26. Wang B., Li X., Wang X., Zhang B. Effect of filling materials on CO2 conversion with a dielectric barrier discharge reactor // J. Environ. Chem. Eng. 2021. V. 9. ID 106370. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.106370
  27. Ebrahimi P., Kumar A., Khraisheh M.A. A review of CeO2 supported catalysts for CO2 reduction to CO through the reverse water gas shift reaction // Catalysts. 2022. V. 12. ID 1101. https://doi.org/10.3390/catal12101101
  28. Ijaz H., Gazali T., Shakeel A., Chennampilly U.A., Alasiri H., Alhooshani K. A review of the indispensable role of oxygen vacancies for enhanced CO2 methanation activity over CeO2-based catalysts: uncovering, influencing, and tuning strategies // Int. J. Hydrog. Energy. 2023. V. 48. P. 24663-24696. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.08.086
  29. Ahn S.-Y., Jang W.-J., Shim J.-O., Jeon B.-H., Roh H.-S. CeO2-based oxygen storage capacity materials in environmental and energy catalysis for carbon neutrality: extended application and key catalytic properties // Catal. Rev. Sci. Eng. 2023. P. 1-84. https://doi.org/10.1080/01614940.2022.2162677
  30. Lebedev Yu.A., Golubev O.V., Batukaev T.S., Maximov A.L. Decomposition of CO2 in a barrier discharge in the presence of cerium oxide catalysts // Tech. Phys. Lett. 2023. V. 49. P. 4-6. https://doi.org/10.21883/TPL.2023.05.56015.19521
  31. Golubev O., Maximov A. Hybrid plasma-catalytic CO2 dissociation over basic metal oxides combined with CeO2 // Processes. 2023. V. 11. ID 1553. https://doi.org/10.3390/pr11051553
  32. Jin S., Bang G., Liu L., Lee C.-H. Synthesis of mesoporous MgO-CeO2 composites with enhanced CO2 capture rate via controlled combustion // Microporous Mesoporous Mater. 2019. V. 288. ID 109587. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2019.109587
  33. Jin S., Ko K.-J., Lee C.-H. Direct formation of hierarchically porous MgO-based sorbent bead for enhanced CO2 capture at intermediate temperatures // Chem. Eng. J. 2019. V. 371. P. 64-77. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.04.020
  34. Pawar A.A., Lee D., Kim H. Understanding the synergy between MgO-CeO2 as an effective promoter and ionic liquids for high dimethyl carbonate production from CO2 and methanol // Chem. Eng. J. 2020. V. 395. ID 124970. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124970
  35. Ruhaimi A.H, Aziz M.A.A. Fabrication of mesoporous CeO2-MgO adsorbent with diverse active sites via eggshell membrane-templating for CO2 capture // Appl. Phys. A 2022. V. 128. ID 29. https://doi.org/10.1007/s00339-021-05182-5
  36. Holub M. On the measurement of plasma power in atmospheric pressure DBD plasma reactors // Int. J. Appl. Electromagn. Mech. 2012. V. 39. P. 81-87. https://doi.org/10.3233/JAE-2012-1446
  37. Xu C., Shi S., Dong Q., Zhu S., Wang Y., Zhou H., Wang X., Zhu L., Zhang G., Xu D. Citric-acid-assisted sol-gel synthesis of mesoporous silicon-magnesium oxide ceramic fibers and their adsorption characteristics // Ceram. Int. 2020. V. 46. P. 10105-10114. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.12.279
  38. Parameswaram G., Rao P.S.N., Srivani A., Nageswara Rao G., Lingaiah N. Magnesia-ceria mixed oxide catalysts for the selective transesterification of glycerol to glycerol carbonate // Mol. Catal. 2018. V. 451. P. 135-142. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2017.12.006
  39. Zheng X., Li Y., Zhang L., Shen L., Xiao Y., Zhang Y., Jiang L. Insight into the effect of morphology on catalytic performance of porous CeO2 nanocrystals for H2S selective oxidation // Appl. Catal. B. 2019. V. 252. P. 98-110. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.04.014
  40. Zhang Y., Wang H.-Y., Zhang Y.-R., Bogaerts A. Formation of microdischarges inside a mesoporous catalyst in dielectric barrier discharge plasmas // Plasma Sources Sci. Technol. 2017. V. 26. ID 054002. https://doi.org/10.1088/1361-6595/aa66be
  41. Горбунов Н.А., Мельников А.С. Влияние молекулярного азота на подвижность электронов в смеси аргона и оптически возбужденных паров натрия // Журнал технической физики. 1999. № 4. С. 361-366
  42. Gorbunov N.A., Mel'nikov A.S. Effect of molecular nitrogen on the electron mobility in a mixture of argon and optically excited sodium vapor // Tech. Phys. 1999. V. 44. P. 361-366. https://doi.org/10.1134/1.1259302.
  43. Смирнов С.А., Титов В.А., Шикова Т.Г., Овцын А.А., Кадников Д.В. Влияние газообразных продуктов гетерогенных реакций на параметры плазмы аргона // Прикладная физика. 2016. № 4. С. 43-48.
  44. Aerts R., Snoeckx R., Bogaerts A. In-situ chemical trapping of oxygen in the splitting of carbon dioxide by plasma // Plasma Process. Polym. 2014. V. 11. P. 985-992. https://doi.org/10.1002/ppap.201400091
  45. Морозов С.А., Малков А.А., Малыгин А.А. Синтез пористого оксида магния термическим разложением основного карбоната магния // Журн. общей химии. 2003. Т. 73. № 1. С. 37-42
  46. Morozov S.A., Malkov A.A., Malygin A.A. Synthesis of porous magnesium oxide by thermal decomposition of basic magnesium carbonate // Russ. J. Gen. Chem. 2001. V. 73. P. 37-42. https://doi.org/10.1023/a:1023466200445.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023