Co–Mg ОКСИДНЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ ДЛЯ ГЛУБОКОГО ОКИСЛЕНИЯ МЕТАНА: СИНТЕЗ, СТРУКТУРА И КАТАЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ

Аннотация

В работе синтезированы доступные и высокоэффективные Co– Mg оксидные катализаторы, не содержащие благородных металлов, для глубокого окисления метана. Катализаторы получали термическим разложением нитратов магния и кобальта с последующей прокалкой при температурах 300–1300 °C. Исследованы образцы с мольными соотношениями Co:Mg = 2:1 и 1:1. Методом рентгеновской дифракции изучено влияние температуры прокалки на фазовый состав, параметры кристаллической решётки и размеры кристаллитов шпинельных фаз (MgCo₂O₄ или Co₃O₄) и кубической фазы твёрдого раствора (Co,Mg)O. Установлено, что до 800 °C преобладает шпинельная структура, тогда как выше 900 °C происходит её разложение с образованием кубического твёрдого раствора. Каталитическую активность исследовали в реакции глубокого окисления метана при составе газовой смеси CH₄:O₂:Ar = 5:30:65 об.%. Активность существенно зависела от фазового состава и температуры прокалки. Максимальная конверсия метана — 96,6% — была достигнута на образце с Co:Mg = 1:1, прокалённом при 600 °C. Рост кажущейся энергии активации с увеличением температуры прокалки отражал переход более активной шпинельной фазы в менее активную фазу твёрдого раствора. Высокая активность катализаторов связана с наличием окислительно-восстановительной пары Co³⁺/Co²⁺ и подвижностью решёточного кислорода, что согласуется с механизмом Марса–ван Кревелена. Образцы, подвергнутые термическому воздействию при 1100 °C, после повторного окислительно-восстановительного цикла частично восстанавливали фазовый состав, что свидетельствует об их значительной термической устойчивости. При повышении температуры прокалки удельная поверхность уменьшалась с 14,9 до 2,8 м²/г и коррелировала с каталитической активностью, а кажущаяся энергия активации изменялась в диапазоне 62,1–99,2 кДж/моль. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности Co–Mg оксидных систем как относительно недорогих катализаторов для очистки метансодержащих газовых выбросов и возможной альтернативы системам на основе благородных металлов.