Жидкофазное и газофазное окислительное карбонилирование метана в уксусную кислоту на родиевых катализаторах

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Систематизированы и обобщены наиболее важные и интересные результаты, полученные в ИНХС РАН за период 2019–2024 гг., по окислительному карбонилированию метана в уксусную кислоту в жидкофазных и газофазных условиях на одноатомных родиевых катализаторах на основе цеолита ZSM-5 разных торговых марок и с разным мольным соотношением SiO2/Al2O3. Установлено, что повышению выхода уксусной кислоты способствуют высокая бренстедовская кислотность цеолита, одноатомное распределение родия, близкое взаимное расположение сильных кислотных центров Бренстеда и атомов родия, а также увеличение доли атомов родия на пересечении каналов цеолита. Показано, что в газофазных условиях добавление в исходную смесь воды приводит к многократному увеличению удельной производительности образования уксусной кислоты.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Наталия Васильевна Колесниченко

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Author for correspondence.
Email: nvk@ips.ac.ru
ORCID iD: 0000-0003-2534-2624

д.х.н., проф

Russian Federation, 119991 ГСП-1 Москва, Ленинский проспект, д. 29

Константин Борисович Голубев

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: nvk@ips.ac.ru
ORCID iD: 0000-0001-7183-7324

к.х.н.

Russian Federation, 119991 ГСП-1 Москва, Ленинский проспект, д. 29

Татьяна Игоревна Батова

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: nvk@ips.ac.ru
ORCID iD: 0000-0002-9253-8523

к.х.н.

Russian Federation, 119991 ГСП-1 Москва, Ленинский проспект, д. 29

Антон Николаевич Сташенко

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: nvk@ips.ac.ru
ORCID iD: 0000-0003-0588-9147
Russian Federation, 119991 ГСП-1 Москва, Ленинский проспект, д. 29

References

  1. Gunsalus N.J., Koppaka A., Park S.H., Bischof S.M., Hashiguchi B.G., Periana R.A. Homogeneous functionalization of methane // Chem. Rev. 2017. V. 117. № 13. P. 8521–8573. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00739
  2. Zerella M., Mukhopadhyay S., Bell A.T. Direct oxidation of methane to acetic acid catalyzed by Pd 2+ and Cu 2+ in the presence of molecular oxygen // Chem. Comm. 2004. № 17. P. 1948–1949. https://doi.org/10.1039/B405549G
  3. Periana R., Mironov O., Taube D. Catalytic, oxidative condensation of CH 4 to CH 3 COOH in one step via CH activation. Science. 2003. V. 301. № 5634. P. 814–818. https://doi.org/10.1126/science.1086466
  4. Чепайкин Е.Г., Безрученко А.П., Бойко Г.Н., Гехман А.Е., Моисеев И.И. Изотопные эффекты в окислительной функционализации метана в присутствии родийсодержащих гомогенных каталитических систем // Кинетика и катализ. 2006. Т. 47. № 1. С. 16–23. [Chepaikin, E.G., Bezruchenko, A.P., Boiko, G.N., Gekhman A.E., Moiseev I.I. Isotope effects in the oxidative functionalization of methane in the presence of rhodium-containing homogeneous catalytic systems // Kinet. Catal. 2006. V. 47. № 1. P. 12–19. https://doi.org/10.1134/S0023158406010034]
  5. Kokalj A., Bonini N., Sbraccia C., de Gironcoli S., Baroni S. Engineering the reactivity of metal catalysts: a model study of methane dehydrogenation on Rh(III) // J. Am. Chem. Soc. 2004. V. 126. № 51. P. 16732–16733. https://doi.org/10.1021/ja045169h
  6. Shan J., Li M., Allard L. F., Lee S., Flytzani-Stephanopoulos M. Mild oxidation of methane to methanol or acetic acid on supported isolated rhodium catalysts // Nature. 2017. V. 551. P. 605–608. https://doi.org/10.1038/nature24640
  7. Narsimhan K., Michaelis V.K., Mathies G., Gunther W.R., Griffin R.G., Roman-Leshkov Y. Methane to acetic acid over Cu-exchanged zeolites: mechanistic insights from a site-specific carbonylation reaction // J. Am. Chem. Soc. 2015. V. 137. № 5. P. 1825–1832. https://doi.org/10.1021/ja5106927
  8. Tang Y., Li Y., Fung V., Jiang D., Huang W., Zhang S., Iwasawa Y., Sakata T., Nguyen L., Zhang X., Frenkel A.I., Tao F. Single rhodium atoms anchored in micropores for efficient transformation of methane under mild conditions // Nat Comm. 2018. V. 9. P. 1–11. https://doi.org/10.1038/s41467-018-03235-7
  9. Moteki T., Tominaga N., Ogura M. CO-assisted direct methane conversion into C 1 and C 2 oxygenates over ZSM-5 supported transition and platinum group metal catalysts using oxygen as an oxidant // Chem. Cat. Chem. 2020. V. 12. № 11. P. 2957–2961. https://doi.org/10.1002/cctc.202000168
  10. Moteki T., Tominaga N., Ogura M. Mechanism investigation and product selectivity control on CO-assisted direct conversion of methane into C 1 and C 2 oxygenates catalyzed by zeolite-supported Rh // Appl. Cat. B: Env. 2022. V. 300. 120742. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120742
  11. Oda A., Horie M., Murata N., Sawabe K., Satsuma A. Highly efficient CO-assisted conversion of methane to acetic acid over Rh-encapsulated MFI zeolite prepared using RhCl 3 molten salt // Catal. Sci. Technol. 2022. V. 12. № 18. P. 5488–5494. https://doi.org/10.1039/d2cy01471h
  12. Wang C.-W., Sun Y., Wang L.-J., Feng W.-H., Miao Y.-T., Yu M.-M., Wang Y.-X., Gao X.-D., Zhao Q., Ding Z., Feng Z., Yu S.-M., Yang J., Hu Y., Wu J.-F. Oxidative carbonylation of methane to acetic acid on an Fe-modified ZSM-5 zeolite // Appl. Catal. B: Env. 2023. V. 329. 122549. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122549
  13. Wang S., Guo S., Luo Y., Qin Z., Chen Y., Dong M., Li J., Fan W., Wang J. Direct synthesis of acetic acid from carbon dioxide and methane over Cu-modulated BEA, MFI, MOR and TON zeolites: a density functional theory study // Catal. Sci. Technol. 2019. V. 9. № 23. P. 6613–6626. https://doi.org/10.1039/c9cy01803d
  14. Samantaray M.K., D’Elia V., Pump E., Falivene L., Harb M., Chikh S.O., Cavallo L., Basset J.-M. The comparison between single atom catalysis and surface organometallic catalysis // Chem. Rev. 2019. V. 120. № 2. P. 734–813. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00238
  15. Kumar P., Al-Attas T.A., Hu J., Kibria M.G. Single atom catalysts for selective methane oxidation to oxygenates // ACS Nano. 2022. V. 16. № 6. P. 8557–8618. https://doi.org/10.1021/acsnano.2c02464
  16. Bunring R.J., Thompson J., Hu P. The mechanism and ligand effects of single atom rhodium supported on ZSM-5 for the selective oxidation of methane to methanol // Phys. Chem. Chem. Phys. 2020. V. 22. P. 11686–11694. https://doi.org/10.1039/D0CP01284J
  17. Wu L., Fan., Wang X., Lin H., Tao J., Liu Y., Deng J., Jing L., Dai H. Methane oxidation over the zeolites-based catalysts // Catalysts. 2023. V. 13. № 3. 604. https://doi.org/10.3390/catal13030604
  18. Kwon Y., Kim T.Y., Kwon G., Yi J., Lee H. Selective activation of methane on single-atom catalyst of rhodium dispersed on zirconia for direct conversion // J. Am. Chem. Soc. 2017. V. 139. № 48. P. 17694–17699. https://doi.org/10.1021/jacs.7b11010
  19. Колесниченко Н.В., Ежова Н.Н., Снатенкова Ю.М. „Одноатомные“ катализаторы в химии метана // Успехи химии. 2023. Т. 92. № 5. RCR5079. https://doi.org/10.57634/RCR5079 [Kolesnichenko N.V., Ezhova., Snatenkova Yu.M. Single-atom catalysts in methane chemistry // Russ. Chem. Rev. 2023. V. 92 № 5. RCR5079. https://doi.org/10.57634/RCR5079]
  20. Batova T.I., Stashenko A.N., Obukhova T.K., Snatenkova Yu.M., Khramov E.V., Sadovnikov A.A., Golubev K.B., Kolesnichenko N.V. Oxidative carbonylation of methane into acetic acid: Effect of metal (Zn, Cu, La, and Mg) doping on Rh/ZSM-5 activity // Micropor. Mesopor. Mater. 2024. V. 366. 112953. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2023.112953
  21. Kolesnichenko N.V., Snatenkova Yu.M., Batova T.I., Yashina O.V., Golubev K.B. Oxidative carbonylation of methane to acetic acid over micro-mesoporous rhodium-modified zeolites // Micropor. Mesopor. Mater. 2022. V. 330. 111581. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2021.111581
  22. Ravel B., Newville M. ATHENA, ARTEMIS, HEPHAESTUS: data analysis for X-ray absorption spectroscopy using IFEFFIT // J. Synchrotron. Rad. 2005. V. 12. P. 537–541. https://doi.org/10.1107/S0909049505012719
  23. Neville M. ATHENA, ARTEMIS, HEPHAESTUS: data analysis for X-ray absorption spectroscopy using IFEFFIT // J. Synchrotron Rad. 2001. V. 8. 322–324.
  24. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. P. 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
  25. Garrity K.F., Bennett J.W., Rabe K.M., Vanderbilt D. Pseudopotentials for highthroughput DFT calculations // Comput. Mater. Sci. 2014. V. 81. P. 446–452. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2013.08.053
  26. Giannozzi P., Baseggio O., Bonfа P., Brunato D., Car R., Carnimeo I., Cavazzoni C., de Gironcoli S., Delugas P., Ruffino F.F., Ferretti A., Marzari N., Timrov I., Urru A., Baroni S. QUANTUM ESPRESSO toward the exascale // J. Chem. Phys. 2020. V. 152. № 15. 154105. https://doi.org/10.1063/5.0005082
  27. Pasquarello A., Laasonen K., Car R., Lee C., Vanderbilt D. Ab initio molecular dynamics for d-electron systems: Liquid copper at 1500 K // Phys. Rev. Lett. 1992. V. 69. P. 1982–1985. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.69.1982
  28. Laasonen K., Pasquarello A., Car R., Lee C., Vanderbilt D. Car–Parrinello molecular dynamics with Vanderbilt ultrasoft pseudopotentials // Phys. Rev. B. 1993. V. 47. P. 10142–10153. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.47.10142
  29. Methfessel M., Paxton A.T. High-precision sampling for Brillouin-zone integration in metals // Phys. Rev. B. 1989. V. 40. P. 3616–3621. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.40.3616
  30. Шилина М.И., Обухова Т.К., Батова Т.И., Колесниченко Н.В. Влияние хитозана на электронное состояние и распределение родия на поверхности цеолитного катализатора по данным ИК-спектроскопии адсорбированного монооксида углерода // Журн. физ. химии. 2023. Т. 97. № 7. С. 944–951. https://doi.org/10.31857/S0044453723070269 [Shilina M.I., Obukhova T.K., Batova T.I., Kolesnichenko N.V. Effect of chitosan on the electronic state and distribution of rhodium on the zeolite catalyst surface according to data on IR spectroscopy of adsorbed carbon monoxide // Russ. J. Phys. Chem. A. 2023. V. 97. № 7. P. 1387–1394. https://doi.org/10.1134/S0036024423070269]
  31. Kolesnichenko N.V., Batova T.I., Stashenko A.N., Obukhova T.K., Khramov E.V., Sadovnikov A.A., Zavelev D.E. The role of the spatial arrangement of single rhodium sites on ZSM-5 in the oxidative methane carbonylation to acetic acid // Micropor. Mesopor. Mater. 2022. V. 344. 112239. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2022.112239
  32. Колесниченко Н.В., Сташенко А.Н., Батова Т.И., Яшина О.В., Колесникова Е.Е., Голубев К.Б. Окислительное карбонилирование метана в уксусную кислоту на модифицированных родием промышленных цеолитах ZSM-5 // Наногетep. катализ. 2023. Т. 8. № 1. С. 18–25. https://doi.org/10.56304/S2414215823010021 [Kolesnichenko N.V., Stashenko A.N., Batova T.I., Yashina O.V., Kolesnikova E.E., Golubev K.B. Oxidative carbonylation of methane to acetic acid over commercial rhodium-modified ZSM-5 zeolites // Petrol. Chemistry]. 2023. V. 63. № 6. P. 648–654. https://doi.org/10.1134/S0965544123060075]
  33. Golubev K.B., Yashina O.V., Ezhova N.N., Kolesnichenko N.V. // Mend. Comm. 2021. V. 31. P. 712–714. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2021.09.040
  34. Wen F., Zhang J., Chen Z., Zhou Z., Liu H., Zhu W., Liu Z. Coupling conversion of methane with carbon monoxide via carbonylation over Zn/HZSM-5 catalysts // Cat. Sci. Tech. 2021. V. 11. № 4. P. 1358–1364. https://doi.org/10.1039/D0CY01983F
  35. Vanelderen P., Snyder B.E.R., Tsai M.-L., Hadt R.G., Vancauwenbergh J., Coussens O., Schoonheydt R.A., Sels B.F., Solomon E.I. Spectroscopic definition of the copper active sites in mordenite: selective methane oxidation // J. Am. Chem. Soc. 2015. V. 137. № 19. P. 6383–6392. https://doi.org/10.1021/jacs.5b02817
  36. Montejo-Valencia B.D., Pagan-Torres Y.J., Martinez-Inesta M.M., Curet-Arana M.C. Density functional theory (DFT) study to unravel the catalytic properties of M-exchanged MFI, (M = Be, Co, Cu, Mg, Mn, Zn) for the conversion of methane and carbon dioxide to acetic acid // ACS Catal. 2017. V. 7. № 10. P. 6719–6728. https://doi.org/10.1021/acscatal.7b00844
  37. Голубев К.Б., Яшина О.В., Батова Т.И., Колесниченко Н.В., Ежова Н.Н. Прямое низкотемпературное окислительное превращение метана в уксусную кислоту на модифицированных родием цеолитах // Наногетep. катализ. 2021. Т. 6. № 1. С. 17–23. https://doi.org/10.1134/S2414215821010020 [Golubev K.B., Yashina O.V., Batova T.I., Kolesnichenko N.V., Ezhova N.N. Direct low-temperature oxidative conversion of methane to acetic acid on rhodium-modified zeolites // Petrol. Chemistry. 2021. V. 61. № 6. P. 663–669. https://doi.org/10.1134/S0965544121040058]
  38. Rahman A.K.M.L., Kumashiro M., Ishihara T. Direct synthesis of formic acid by partial oxidation of methane on H-ZSM-5 solid acid catalyst // Catal. Comm. 2011. V. 12. № 13. P. 1198–1200. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2011.04.001
  39. Sun M., Abou-Hamad E., Rossini A.J., Zhang J., Lesage A., Zhu H., Pelletier J., Emsley L., Caps V., Basset J.-M. Methane reacts with heteropolyacids chemisorbed on silica to produce acetic acid under soft conditions // J. Am. Chem. Soc. 2013. V. 135. № 2. P. 804–810. https://doi.org/10.1021/ja309966j
  40. Голубев К.Б., Колесниченко Н.В., Обухова Т.К., Ежова Н.Н., Яшина О.В. Способ получения уксусной кислоты (варианты) // Патент РФ № 2757738 С1. Заявлен 12.03.2021. Опубл. 21.10.2021. Бюл. № 30 [Golubev K.B., Kolesnichenko N.V., Obukhova T.K., Ezhova N.N., Yashina O.V. Method for producing acetic acid (options) // Patent RF № 2757738 С1 Field 12.03.2021. Issued on 21.10.2021. Bull. № 30]

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Structure of the nitrogen-containing polymers used: GHC (a), PEI (b) and PVP (c).

Download (3KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Proposed mechanism of oxidative carbonylation of methane simultaneously on strong BACs and rhodium atoms on the zeolite surface.

Download (3KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of the specific productivity (ρ) of HC formation on temperature in the case of feeding dry (black line) and wet (gray line) mixtures. Conditions: CBV30 catalyst, P = 6.5 MPa, GHSV = 1250 h–1.

Download (22KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of the specific productivity (ρ) according to the UK on the molar ratio SiO2/Al2O3 of the zeolite. Conditions: wet mixture, T = 450°C, P = 6.5 MPa and GHSV = 1250 h–1.

Download (9KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Specific productivity by UC (ρ) as a function of GHSV and selectivity by oxygenates at 40,000 h–1 on CBV30 (dashed line) and Rh/CBV30 (solid line) catalysts. Conditions: wet mixture, T = 450°C, P = 6.5 MPa.

Download (26KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences