Разработка и применение нанокатализаторов для переработки синтез-газа в метанол

В статье приведены результаты исследования по разработке и усовершенствованию наноразмерных гетерогенных нанокатализаторов на основе меди и оксида цинка для последующей переработки синтез-газа в метанол. Представлены общие сведения о видах нанокатализаторов для получения метанола, обоснованы методологические подходы к разработке новых и усовершенствованию имеющихся нанокатализаторов. Показаны результаты лабораторных исследований, связанных с созданием структур новых типов нанокатализаторов, обоснован оптимальный их состав и проведено компьютерное моделирование с использованием программы "Material Studio". Исследованы модификации матриц нанокатализаторов, промоторов и соотношений Cu/Zn в катализаторах. Описан механизм химических реакций, происходящих на поверхности металлических наночастиц, при получении метанола из синтез-газа, смоделирован процесс адсорбции СО на поверхности наночастиц меди, показан процесс разделения и получения метанола, рассчитана энергия активации протекающих химических реакций. Разработаны компьютерные модели: наночастиц на основе Cu и ZnO; адсорбции СО на поверхности наночастиц; присоединения водорода к поверхности наночастиц; получения метанола на поверхности наночастиц с расчетом энергии активизации химических реакций на поверхности наночастиц. Разработана технологическая схема получения метанола с использованием наноструктурированного биметаллического катализатора. Показано, что полученные нанокатализаторы на основе Cu и ZnO, имеют оптимальные каталитические свойства для лабораторных экспериментов.

This article presents a study on the development and improvement of nanoscale heterogeneous nanocatalysts based on copper and zinc oxide for the subsequent processing of synthesis gas into methanol. An analytical review of modern types of nanocatalysts is presented, general information about the types of nanocatalysts for methanol production is provided, a patent search is performed, methodological approaches to the development of new and improvement of existing nanocatalysts are substantiated. The results of laboratory studies related to the creation of structures of new types of nanocatalysts are presented, their optimal composition is justified and computer modeling using the "Material Studio" program is carried out. Modifications of nanocatalyst matrices, promoters, and Cu/Zn ratios in catalysts have been investigated. The mechanism of chemical reactions occurring on the surface of metal nanoparticles during the production of methanol from synthesis gas is described, the process of adsorption of CO on the surface of copper nanoparticles is modeled, the process of separation and production of methanol is shown, the activation energy of the chemical reactions occurring is calculated. Models have been developed for: nanoparticles based on Cu and ZnO; adsorption of CO on the surface of nanoparticles; addition of hydrogen to the surface of nanoparticles; production of methanol on the surface of nanoparticles with the calculation of the activation energy of chemical reactions on the surface of nanoparticles. A technological scheme for the production of methanol using a nanostructured bimetallic catalyst has been developed. It is shown that the obtained nanocatalysts based on Cu and ZnO have optimal catalytic properties for laboratory experiments.