Η αναζήτηση για εξαιρετικά ενεργούς, επιλεκτικούς καταλύτες για διαδικασίες μετατροπής άνθρακα
Μαζί με τη δραματική συρρίκνωση της ποσότητας πετρελαίου και την αυξανόμενη κατανάλωση ενέργειας, ένας αυξανόμενος αριθμός ατόμων επικεντρώνεται στη μετατροπή του άνθρακα σε χημικά και υγρά καύσιμα. Ο λιγνίτης είναι ένας άφθονος ορυκτός πόρος που βρίσκεται στη φύση, αλλά παρά την αφθονία του, την εύκολη πρόσβαση και το χαμηλό κόστος εξόρυξης, δεν έχει χρησιμοποιηθεί τόσο ευρέως όσο ο άνθρακας υψηλής ποιότητας λόγω της υψηλής περιεκτικότητάς του σε υγρασία, της χαμηλότερης θερμιδικής του αξίας και του υψηλού αυθόρμητου ευαισθησία στην καύση και υψηλή απόδοση τέφρας.
Οι συνθήκες των παραδοσιακών διεργασιών χημικής τεχνολογίας άνθρακα είναι σχετικά σκληρές, γεγονός που περιορίζει τη χρήση του άνθρακα υψηλής προστιθέμενης αξίας. Ωστόσο, ο καταλύτης μπορεί να μετατρέψει τον άνθρακα κάτω από ήπιες συνθήκες για να επιτύχει καθαρή χρήση. Ως εκ τούτου, όλο και περισσότεροι ερευνητές έχουν μετατοπίσει την εστίασή τους στην απόκτηση εξαιρετικά ενεργών, εκλεκτικών καταλυτών.
Ο λιγνίτης είναι πλούσιος σε γεφυρωμένους δεσμούς που περιέχουν οξυγόνο, ειδικά σε γεφυρωμένους δεσμούς C−O (COBBs), όπως ο BRCH2 O–CH2 BR, τα οποία είναι τα κυρίαρχα COBB στον λιγνίτη. Επομένως, η αποτελεσματική διάσπαση αυτών των γεφυρωμένων δεσμών θα πρέπει να είναι ζωτικής σημασίας για τη χρήση του άνθρακα. Η στερεά υπερβάση θεωρείται ότι είναι αποτελεσματική για την κατάλυση της διάσπασης των COBB λόγω της ισχυρής βασικότητάς τους, με αποτέλεσμα τον ετερολυτικό διαχωρισμό του H2 να κυκλοφορήσει το H.
Μία από τις κύριες προκλήσεις στις πρακτικές εφαρμογές των ετερογενών στερεών καταλυτών στην υδρογονοπυρόλυση των άνθρακα είναι ότι οι δυσκολίες στον διαχωρισμό τους από το μείγμα της αντίδρασης και την επακόλουθη ανακύκλωση. Επομένως, τα μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου έχουν προσελκύσει σημαντικά ενδιαφέροντα ως φορείς καταλύτη λόγω της υπερπαραμαγνητικής ιδιότητάς τους, η οποία κάνει τους καταλύτες να διαχωρίζονται εύκολα από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.
Μια εξαιρετικά ενεργή μαγνητική στερεή υπερβάση (MSSB) παρασκευάστηκε με εμποτισμό Mg2 Si σε γ-Al2 O3 επικαλυμμένα νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου μέσω της μεθόδου σύνθεσης ενός δοχείου και μπορούν να διαχωριστούν με ευελιξία από το μείγμα αντίδρασης με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Το MSSB εφαρμόστηκε με επιτυχία στην καταλυτική υδρομετατροπή (CHC) του Oxybis(μεθυλένιο) διβενζολίου (OBMDB) και του υπολείμματος εκχύλισης (ER) από τον λιγνίτη Naomaohu.
Το OBMDB χρησιμοποιήθηκε ως ένωση μοντέλου που σχετίζεται με το λιγνίτη για την αξιολόγηση της καταλυτικής δραστηριότητας του MSSB που περιέχει γεφυρωμένη σύνδεση που περιέχει οξυγόνο (δηλ. –CH2 OCH2 –) ανάμεσα σε 2 δακτυλίους βενζολίου. Γενικά, η μετατροπή του OBMDB μαζί με τα κύρια προϊόντα τους αυξήθηκε μονότονα με περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας της αντίδρασης, παράταση του χρόνου αντίδρασης, αύξηση της αρχικής πίεσης υδρογόνου της αντίδρασης (IHP) και αύξηση της δόσης MSSB, αντίστοιχα.
Αυτή η μελέτη διερεύνησε τον πιθανό μηχανισμό για το CHC του OBMDB. Σε αντίθεση με τον όξινο καταλύτη, οι καταλύτες στερεάς βάσης μπορούν να διευκολύνουν την ετερολυτική διάσπαση του H2 για την απελευθέρωση H και την επακόλουθη μεταφορά H λόγω της ισχυρής αλκαλικότητάς του. Λόγω της ισχυρής ηλεκτραρνητικότητας του ατόμου οξυγόνου στο OBMDB, τα δύο άτομα άνθρακα που συνδέονται με το άτομο οξυγόνου είναι θετικά φορτισμένα και έτσι τείνουν να δέχονται H.
Το κινητό H μεταφέρεται στο άτομο οξυγόνου στο OBMDB και στη συνέχεια τα δύο ίδια COBB διασπώνται για να δώσουν τολουόλιο και BRCH2 O. BRCH2 Το O αφαιρεί το Η από την επιφάνεια MSSB για να παράγει βενζαλκοόλη ή μετατρέπεται σε βενζαλδεΰδη. Λόγω της κακής σταθερότητάς της, η αφυδροξυλίωση της βενζαλκοόλης προχωρά μέσω μεταφοράς Η στον βενζυλικό άνθρακα στη βενζαλκοόλη για την παραγωγή τολουολίου και HO, το HO μπορεί να αφαιρέσει Η από την επιφάνεια MSSB για να παράγει H2 O. Επιπλέον, το OBMDB δεν μπορεί να αντιδράσει χωρίς IHP και η βενζαλκοόλη ανιχνεύτηκε μόνο κάτω από 1 MPa IHP, υποδεικνύοντας ότι η IHP παίζει σημαντικό ρόλο στη διαδικασία CHC.
Υπό βέλτιστες συνθήκες, το MSSB εφαρμόζεται στο CHC του ER. Η μη καταλυτική υδρομετατροπή (NCHC) αντέδρασε υπό τις ίδιες συνθήκες όπως η CHC εκτός από τον μη προστιθέμενο καταλύτη. Το τελικό βρίσκεται από τα CHC (FR), ER, SPNCHC και SPCHC αναλύθηκαν με φασματόμετρο υπέρυθρου μετασχηματισμού Nicolet Magna IR-560 Fourier (FTIR) και το διήθημα αναλύθηκε με αέριο χρωματογράφο/φασματόμετρο μάζας Agilent 7890/5973 (GC/MS). Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν ότι το SPNCHC περιέχει περισσότερα αλκάνια και αρένια, ενώ το SPCHC έχουν περισσότερα αλκένια και ενώσεις που περιέχουν οξυγόνο.
Είναι ενδιαφέρον ότι μόνο 8 είδη στοιχείων ομάδας εντοπίστηκαν στο SPNCHC . Ωστόσο, υπάρχουν 17 είδη στοιχείων ομάδας στο SPCHC . Υποδεικνύεται ότι το CHC είναι ευεργετικό για τη θραύση του δεσμού C–O και την παραγωγή φαινολικών και εστερικών ενώσεων. Η συνολική σχετική περιεκτικότητα (TRC) σε φαινόλες στο SPCHC είναι σημαντικά υψηλότερο από αυτό στο SPNCHC , στο οποίο οι περισσότερες φαινόλες περιέχουν δακτύλιο βενζολίου. Αντίθετα, τα TRC των αλκανίων και των αρενών στο SPCHC είναι σημαντικά χαμηλότερα από αυτά του SPNCHC .
Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι τα περισσότερα από τα COBB στο ER υπέστησαν υδρογονοπυρόλυση πάνω από MSSB. Με άλλα λόγια, το MSSB αποδείχθηκε ότι είναι ιδιαίτερα ενεργό για το CHC των μακρομοριακών τμημάτων στο ER για να σχηματίσει φαινόλες και αλκοόλες. Το υψηλότερο TRC των φαινολών στο SPCHC παρά στο SPNCHC είναι συνεπής με το αποτέλεσμα της ανάλυσης FTIR.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Καταλυτική υδρομετατροπή του υπολείμματος εξόρυξης από λιγνίτη Naomaohu πάνω από μια ενεργή και διαχωρίσιμη μαγνητική στερεή υπερβάση, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Fuel. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Min Zhang, Xian-Yong Wei, Zheng Yang, Dao-Guang Teng, Yan Xue, De-Wu Meng και Zhi-Min Zong από το China University of Mining &Technology.
