Ammonia Synthesis and Decomposition with Ru Supported Catalysts

D. A. Shlyapin; Шляпин Д. А.; V. A. Borisov; Борисов В. А.; V. L. Temerev; Темерев В. Л.; K. N. Iost; Иост К. Н.; Z. A. Fedorova; Федорова З. А.; P. V. Snytnikov; Снытников П. В.

doi:10.31857/S0453881123060151

Синтез и разложение аммиака на нанесенных рутениевых катализаторах

Авторы: Шляпин Д.А.¹, Борисов В.А.¹, Темерев В.Л.¹, Иост К.Н.¹, Федорова З.А.², Снытников П.В.²
Учреждения:
1. Центр новых химических технологий ИК СО РАН, Институт катализа СО РАН
2. ФГБУН ФИЦ Институт катализа СО РАН
Выпуск: Том 64, № 6 (2023)
Страницы: 761-772
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rcsi.science/0453-8811/article/view/231825
DOI: https://doi.org/10.31857/S0453881123060151
EDN: https://elibrary.ru/KWYRGM
ID: 231825

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

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

Ключевые слова

синтез аммиака, разложение аммиака, нанесенные рутениевые катализаторы, уравнение Темкина–Пыжева

Список литературы

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
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
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
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
Hosono H., Kitano M. // Chem. Rev. 2021. V. 121. № 5. P. 3121. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c01071
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
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
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
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
Sagel V.N., Rouwenhorst K.H.R., Faria J.A. // Energies. 2022. V. 15. P. 3374. https://doi.org/10.3390/en15093374
Salmon N., Bañares-Alcántara R. // Sustain. Energy Fuels 2021. V. 5. P. 2814. https://doi.org/10.1039/D1SE00345C
Nayak-Luke R.M., Bañares-Alcántara R. // Energy Environ. Sci. 2020. V. 13. P. 2957. https://doi.org/10.1039/D0EE01707H
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
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
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
Wen D., Aziz M. // Appl. Energy. 2022. V. 319. P. 119272. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2022.119272
Темкин М.И., Морозов Н.М., Шапатина Е.Н. // Кинетика и катализ. 1963. № 2. Т. 4. С. 260.
Аветисов А.К., Кучаев В.Л., Шапатина Е.Н., Зыскин А.Г. // Катализ в промышленности. 2008. № 5. С. 11.
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
Aika K. // Catal. Today. 2017. V. 286. P. 14. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2016.08.012
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
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
Tsai W., Weinberg W.H. // J. Phys. Chem. 1987. V. 91. № 20. P. 5302. https://doi.org/10.1021/j100304a034
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Wu S., Tsang S.C.E. // Trends Chem. 2021. V. 3. P. 660. https://doi.org/10.1016/j.trechm.2021.04.010
Ao R., Lu R., Leng G., Zhu Y., Yan F., Yu Q. // Energies. 2023. V. 16. P. 921. https://doi.org/10.3390/en16020921
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
Dahl S., Törnqvist E., Chorkendorff I. // J. Catal. 2000. V. 192. № 2. P. 381. https://doi.org/10.1006/jcat.2000.2858
Shustorovich E., Bell A.T. // Surf. Sci. Lett. 1991. V. 259. № 3. P. L791. https://doi.org/10.1016/0167-2584(91)90311-E
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
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
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
Hinrichsen O. // Catal. Today. 1999. V. 53. № 2. P. 177. https://doi.org/10.1016/S0920-5861(99)00115-7
Shi H., Jacobi K., Ertl G. // J. Chem. Phys. 1993. V. 99. № 11. P. 9248. https://doi.org/10.1063/1.465541
Dietrich H., Geng P., Jacobi K., Ertl G. // J. Chem. Phys. 1996. V. 104. № 1. P. 375. https://doi.org/10.1063/1.470836
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
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
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
Zupanc C., Hornung A., Hinrichsen O., Muhler M. // J. Catal. 2002. V. 209. P. 501. https://doi.org/10.1006/jcat.2002.3647
Шаповалова Л.Б., Закумбаева Г.Д., Габдракипов А.В. // Нефтехимия. 2003. Т. 43. № 3. С. 192.
Антонов А.Ю., Быстрова О.С., Боева О.А., Жаворонкова К.Н. // Успехи в химии и химической технологии. 2007. Т. 21. С. 13.
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.
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
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
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
Aika K., Takano T., Murata S. // J. Catal. 1992. V. 136. № 1. P. 126. https://doi.org/10.1016/0021-9517(92)90112-U
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
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
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
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
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
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
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
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
Jacobi K., Wang Y., Fan C.Y., Dietrich H. // J. Chem. Phys. 2001. V. 115. P. 4306. https://doi.org/10.1063/1.1390523