Создание и исследование новых каталитических материалов для целевого получения пропилена дегидрированием пропана

Пропилен является одним из важнейших крупнотоннажных полупродуктов нефтехимии. Основным промышленным способом его производства является каталитический или паровой крекинг нафты, который приводит к смеси углеводородов с долей пропилена ~10%. По сути, пропилен является побочным продуктом нефтепереработки. Неудивительно, что мировой тенденцией является разработка альтернативных, более атомно-эффективных технологий его целевого получения. Так, все большее значение приобретает метод неокислительного дегидрирования пропана, внедренный в практику с 1990 года. В основе этой технологии лежит использование нанесенного платинового (Pt/Sn/Al2O3) или хромового (CrOx/Al2O3) катализатора. Однако, применение обоих катализаторов имеет существенные недостатки, такие как высокая стоимость и сложность регенерации платинового катализатора и экологические ограничения при работе с соединениями хрома. В последние годы были предприняты значительные усилия для разработки катализаторов дегидрирования пропана нового поколения, что доказывается существенным и неуклонным ростом количества публикаций по данной тематике в ведущих научных журналах. В поисковой системе SciFinder по теме проекта («non oxidative propane dehydrogenation») можно найти более 6700 научных статей, 4700 патентов и 120 обзоров только за последние неполные 4 года (2020 г – ноябрь 2023 г). Как следствие, к настоящему времени появился ряд альтернативных катализаторов дегидрирования пропана, среди которых особое место занимают оксидные каталитические системы. Помимо их относительной дешевизны и экологической приемлемости, в ряде случаев были достигнуты показатели каталитической эффективности, сопоставимые с таковыми для традиционных промышленных катализаторов на основе Pt и Cr. Согласно литературным данным, наилучшие перспективы имеют катализаторы на основе оксидов Co, V, Ga, Zn, Ti, Zr и некоторых других малотоксичных переходных металлов. Установлено, что их активность в реакции дегидрирования пропана и других алканов может регулироваться внесением ряда допирующих элементов. При этом влияние последних на (микро)структуру катализаторов и обусловленные этим изменения каталитических свойств редко анализируются на основе объективных данных о структурно-морфологических изменениях и носят, в основном, спекулятивный характер. Примечательно, что наряду с участием в катализе дегидрирования фрагментов кристаллических фаз, в ряде исследований была показана также возможная ключевая роль моно-атомных каталитических центров в инициировании этой реакции. Однако, в целом, фундаментальные аспекты катализа дегидрирования пропана на оксидных каталитических системах мало изучены. Целью данного проекта является разработка и изучение новых высокоэффективных катализаторов дегидрирования пропана на основе оксидов V, Ga и Zn, модифицированных добавками оксидов редкоземельных и переходных металлов, а также в ряде случаев соединениями азота и фосфора, нанесенных на Al2O3, SiO2, TiO2 и ZrO2. Катализаторы должны проявлять устойчивость к действию высоких температур (550-750оС) в условиях реакции, а также в условиях регенерации. Это существенно повысит практическую значимость исследований, максимально приблизив их к реальным условиям промышленной эксплуатации катализаторов дегидрирования пропана. Всестороннее исследование катализаторов различными методами в том числе в режимах in situ/operando позволит определить атомное строение активных центров катализаторов, реакционный механизм и причины дезактивации. Полученные знания позволят реализовать атомарный дизайн эффективных катализаторов дегидрирования пропана в пропилен. Важность поставленной задачи заключается в разработке новейших каталитических систем с высокими эксплуатационными параметрами для целевого получения пропилена. В целом, реализация проекта внесет значительный вклад в понимание фундаментальных аспектов разработки широкого круга гетерогенных оксидных катализаторов, активно применяемых в современной промышленности.