AP08855562 «Развитие фундаментальных аспектов каталитического риформинга возобновляемого природного сырья – биогаза для разработки экологически чистых высокоэффективных топлив»

Руководитель проекта – Тунгатарова С.А., зав. лабораторией окислительного катализа, доктор химических наук, профессор. s.tungatarova@ifce.kz +7 727 2916632

Актуальность: Мир энергетики находится на пороге глубоких преобразований. И водород, и синтез-газ, и биогаз как носители экологически чистой энергии, являются одними из наиболее рациональных решений актуальных проблем экологии: уменьшение количества парниковых газов, снижение загрязнения городов и зависимости от нефтяного топлива. В результате подписания ведущими странами Парижского соглашения мировая экономика стремится удержать глобальное потепление в пределах 2оС, для чего сформировала макротренд на декарбонизацию и, тем самым, задала новую траекторию развития экономики. В связи с этим, если Казахстан ближайшее время не начнет хотя бы постепенно отказываться от «углеводородной» и «углевой» зависимости, то нас после 2030г, когда ведущие страны Европы, США и Япония откажутся от использования природных углеродсодержащих ресурсов для выработки энергии, ждут тяжелые времена. Жить за счёт продажи нефти и газа будет невозможно. Да и ситуация на мировом рынке сейчас кардинально меняется. Цена нефти и газа стремительно падает. Мир переходит на новые технологии и возлагает большие надежды на альтернативные источники энергии: энергию солнца, ветра, водородную энергетику, биотопливо. Существует множество способов получения энергии, однако проходят годы, а стремительного перехода на эти виды энергии пока не происходит. В мире началось интенсивное изучение процессов с участием биогаза в качестве альтернативного источника не только энергии, но и сырья для нефтехимического производства. Биогаз является неисчерпаемым возобновляемым ресурсом для получения ценных продуктов, таких как синтез-газ, водород. Разработка научных основ его использования для получения моторных топлив представляется актуальной задачей.

Цель – разработка фундаментальных основ синтеза новых композитных катализаторов для процесса конверсии возобновляемого сырья – биогаза в синтез-газ, что будет способствовать организации нового экологически чистого энергосберегающего «зеленого» производства как в промышленном масштабе, так и на уровне мелких крестьянских/муниципальных хозяйств в республике, конкурентоспособного с традиционной нефтеперерабатывающей промышленностью.

Ожидаемые и достигнутые результаты:

– ожидаемые результаты за 2021 год: Будут определены оптимальные составы катализаторов, изучены их свойства методами РФА, ПЭМ, СЭМ. Будут определены поверхность и пористость образцов методом БЭТ, формы адсорбированного кислорода и водорода серией температурно-программированных методов. Будут испытаны катализаторы в процессе углекислотной конверсии и определены зависимости каталитической активности от состава и свойств синтезированных образцов. Будут опубликованы 2 статьи в рецензируемых научных изданиях по научному направлению проекта, входящих в 1 (первый), либо 2 (второй) либо 3 (третий) квартили в базе Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50.

– достигнутые результаты за 2021 год: Синтезирована и исследована серия катализаторов различного состава и соотношения элементов методами традиционной пропитки и растворного горения самораспространяющимся высокотемпературным синтезом. Разработанные катализаторы испытаны в процессе углекислотной конверсии метана при различных температурах, объемных скоростях, при варьировании состава реакционной смеси. С помощью методов РФА, ПЭМ, СЭМ показано, что в результате синтеза методом растворного горения образуются алюминаты и шпинели, способствующие селективному образованию синтез-газа. Установлено преимущество данных катализаторов по сравнению с образцами, синтезированными методом пропитки. С увеличением количества воды, добавляемой при приготовлении катализаторов, увеличивается средний размер пор и поверхность, что связано с интенсивностью и временем испарения воды в процессе формирования катализатора, а также с формированием комплексных соединений с водой в процессе растворения нитратов и мочевины. Чем больше воды, тем образуется более пористый материал и снижается температура горения, что приводит к увеличению площади поверхности нанокатализатора. В результате температурно-программированной десорбции кислорода с исследуемых катализаторов обнаружено  значительное увеличение количества слабосвязанного кислорода в области низких температур, и прочносвязанного кислорода в области высоких температур. Десорбция в низкотемпературной области принадлежит к слабосвязанному кислороду, а пик, обнаруженный в высокотемпературной области, связан с разложением оксидов. С повышением температуры от 600 до 900оС конверсия СН4 повышалась от 54,8% до 99,8%, а конверсия СО2 – от 45,8% до 99,9%, соотношение Н2/СО снижалось от 2,0 до 1,5.

Члены исследовательской группы:

  1. Тунгатарова С.А. Researcher ID: P-8643-2014, Scopus Author ID: 10341273600, ORCID: 0000-0001-6005-747X
  2. Байжуманова Т.С. Researcher ID: AAQ-8035-2020, Scopus Author ID: 36052521200, ORCID: 0000-0001-9851-2642
  3. Жексенбаева З.Т. Researcher ID: A-9954-2015, Scopus Author ID: 15128361200, ORCID: 0000-0001-8227-5750
  4. Кауменова Г.Н. Researcher ID: AAR-4093-2020, Scopus Author ID: 57195993717, ORCID: 0000-0002-6448-6607
  5. Сарсенова Р.О. Researcher ID: ABE-9513-2021, Scopus Author ID: 57188551247, ORCID: 0000-0001-5669-8178
  6. Жумабек М. Researcher ID: AAS-1603-2020, Scopus Author ID: 56941879300, ORCID: 0000-0002-2026-0577
  7. Қасымқан Қ. Researcher ID: ABE-9515-2021, Scopus Author ID: 56941923900, ORCID: 0000-0001-6220-9836
  8. Шораева К.А. – Researcher ID: Q-3038-2017, Scopus Author ID: 56941923900, ORCID: 0000-0001-8777-8453
  9. Манабаева А. ORCID: 0000-0002-4831-1241

Список публикаций:

1 Zhumabek M., Xanthopoulou G., Tungatarova S.A., Baizhumanova T.S., Vekinis G., Murzin D. Biogas reforming over Al-Co catalyst prepared by solution combustion synthesis method // Catalysts. – 2021. – Vol. 11, No 2. – P. 274-289. https://doi.org/10.3390/catal11020274. IF 4,146. Q2. Percentile 64.

2 Zhang X., Vajglova Z., Mäki-Arvela P., Peurla M., Palonen H., Murzin D.Yu., Tungatarova S., Baizhumanova T., Aubakirov Y. Mono- and bimetallic Ni-Co catalysts in dry reforming of methane // ChemistrySelect. – 2021. – Vol. 6. – P. 3424-3434. https://doi.org/10.1002/slct.202100686. IF 2,109. Q2. Percentile 58.

3 Xanthopoulou G., Varitis S., Zhumabek M., Karanasios K., Vekinis G., Tungatarova S., Baizhumanova T. Direct reduction of greenhouse gases by continuous dry (CO2) reforming of methane over Ni-containing SHS catalysts // Energies. – 2021. – Vol. 14, No 19. – P. 6078-6090. https://doi.org/10.3390/en14196078. IF 3,004. Q2. Percentile 85.

4 Tungatarova S., Xanthopoulou G., Vekinis G., Baizhumanova T., Zhumabek M., Kotov S., Manabayeva A. Production of hydrogen-containing clear fuel from biogas // Chemical Engineering Transactions. – 2021. – Vol. 88. – P. 1093-1098. DOI: 10.3303/CET2188182. IF 0,76. Q3. Percentile 37. 5 Zhumabek M., Kaumenova G.N., Manabayeva A., Sarsenova R.O., Kotov S.O. Ni-Al-Mg-Mn composite catalysts for partial oxidation of natural gas // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series Chemistry and Technology. – 2021. – Vol. 4, No 448. – P. 19-26. https://doi.org/10.32014/2021.2518-1491.62. IF КазБЦ 0,251