Зависимоcть активности и процесса in situ формирования ненанесенных сульфидных никель-вольфрамовых катализаторов совместного превращения пиридина и нафталина от содержания серы

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Ненанесенные сульфидные никель-вольфрамовые катализаторы получены in situ из соответствующих маслорастворимых соединений-прекурсоров и элементной серы в реакционных смесях нафталин–пиридин различного состава при 380°C, 5.0 МПа Н2, 5 ч и содержании Ni и W, соответственно, 7.3×10–5 и 1.5×10–4 моль. Установлено, что состав продуктов гидрирования нафталина и гидродеазотирования пиридина зависит от состава реакционной смеси и количества элементной серы, вводимой для in situ формирования сульфидных катализаторов. При полной конверсии нафталина с ростом содержания пиридина в смеси (от 0.5 до 9 мас.%) доля декалинов в продуктах снижается от 97 до 71 мас.% при мольном соотношении в катализаторе S/W, равном 4, и от 97 до 51 мас.% при S/W, равном 10. С увеличением мольного соотношения нафталин/пиридин от 0.5 до 60 наблюдали снижение степени превращения пиридина от 100 до 91% (при S/W, равном 4 мольн.) и от 100 до 81% (при S/W, равном 10 мольн.). Показано, что увеличение содержания серы способствует формированию более дисперсных частиц сульфида вольфрама, характеризующихся высокой степенью промотирования атомами никеля[1].

 

[1] Дополнительные материалы доступны в электронном виде по DOI статьи: 10.31857/S0028242124050054

Full Text

Ненанесенные сульфиды молибдена и вольфрама в течение многих лет являются объектами исследования различных научных групп. Сначала их использовали в процессах ожижения угля [1] и гидроконверсии тяжелого нефтяного сырья [2]. К настоящему моменту опубликован ряд обзорных исследований по данной тематике, например [3–6].

Известно, что биметаллические ненанесенные сульфиды молибдена и вольфрама (промотированные никелем или кобальтом) — эффективные катализаторы различных процессов: гидродеароматизации углеводородов [7], гидрообессеривания тиофенов [8–11], гидродеоксигенации фенолов [12, 13], жирных кислот, растительных масел [14, 15] и др.

Отдельно следует выделить направление, касающееся получения биметаллических ненанесенных сульфидов непосредственно в реакционной среде (in situ). В большинстве случаев для этого используют различные комбинации прекурсоров — источника молибдена/вольфрама и кобальта/никеля, а также источник серы для формирования сульфида. Так авторами [16] in situ из так называемых маслорастворимых прекурсоров — гексакарбонилов вольфрама и молибдена, никеля(II) и кобальта(II) 2-этилгексаноатов в присутствии добавок элементной серы был получен ряд сульфидных NiMo-, CoMo- и NiW-катализаторов гидродехлорирования 1,4-дихлорбензола. Было установлено, что наибольшую активность проявляет именно NiW-сульфидный катализатор, обеспечивающий практически полное превращение исходного субстрата, что авторы связывают с формированием наиболее высокодисперсных промотированных никелем частиц сульфида вольфрама. Следующая работа этого научного коллектива была посвящена исследованию вопроса о возможности гидрирования непредельных соединений в присутствии хлорорганических компонентов на примере смеси гептена-1 и 1,4-дихлорбензола также на NiW-катализаторе, сформированном in situ [17], в результате наблюдали синергетический эффект: в присутствии олефина гидродехлорирование протекало активнее.

В цикле работ авторов [18–20] показано, что при разложении in situ нафтенатов никеля и кобальта, гексакарбонилов молибдена и вольфрама, также в присутствии добавок элементной серы формируются высокодисперсные промотированные сульфиды молибдена/вольфрама, катализирующие процессы гидрирования замещенных нафталинов, антрацена, гидрообессеривания тиофена и замещенных дибензотиофенов в системе Н2O/СO. В работе [21] для получения сульфидных NiMo катализаторов гидрирования ими были выбраны уже водорастворимые соли — молибдат аммония и нитрат никеля. Однако ранее нашими коллегами было проведено сравнительное исследование никель-вольфрамовых сульфидных катализаторов гидродеароматизации, полученных in situ из различных соединений никеля и вольфрама: комплексной соли [BMPip]2Ni(WS4)2, водорастворимых солей никеля и вольфрама, а также из маслорастворимых прекурсоров — W(CO)6 и Ni(C7H15COO)2 [22]. Было установлено, что использование именно маслорастворимых прекурсоров позволяет достичь высокой степени сульфидирования и промотирования никелем формируемых частиц сульфида вольфрама и именно этот катализатор проявил наибольшую активность в гидрировании нафталина и гидродеароматизации/гидрообессеривании легкого газойля каталитического крекинга.

Помимо актуальности проблемы гидрирования ароматических соединений и удаления гетероатомов в процессах гидрообессеривания, гидродеоксигенации, гидродехлорирования важной является задача удаления азота. Несмотря на то, что его содержание в нефтяном сырье невелико и не превышает 1 мас.% [23], все чаще ставится цель вовлечь в переработку альтернативные источники углеводородов, где содержание азота выше, к примеру, сланцевую нефть, где по некоторым данным содержится более 2 мас.% азота [24]. Или биомассу, которая в зависимости от происхождения может содержать до 10 мас.% азота [25, 26]. Анализ литературных данных показал ограниченность сведений по применению промотированных биметаллических ненанесенных катализаторов на основе сульфидов молибдена и/или вольфрама в процессах деазотирования. Авторами работы [27] описан метод приготовления гранулированных сульфидных NiMoW-катализаторов гидроочистки без носителя и изучено влияние атомного соотношения Ni/Mo/W на свойства и активность в гидроочистке прямогонного вакуумного газойля. Установлено, что состав катализатора не оказывает существенного влияния на степень гидродеазотирования. Работы, посвященные исследованию свойств промотированных дисперсных сульфидных вольфрамовых или молибденовых катализаторов гидродеазотирования, формируемых in situ, к настоящему моменту не опубликованы.

Выше отмечено, что для получения in situ сульфидных катализаторов используют элементную серу; в условиях проведения гидрогенизационных процессов образуется сероводород [19], содержание которого будет зависеть от количества серы, вводимого в реакционную систему. В работе [28] показано, что H2S влияет на гидродеазотирование азотсодержащих соединений в присутствии сульфидного катализатора NiMo/Al2O3, — значительно увеличивается скорость разрывов связей C–N, а скорость стадий гидрирования немного уменьшается. Это связывают с преобразованием анионных вакансий серы, необходимых для гидрирования, в группы –SH, которые, как предполагается, активны в разрыве связи C–N.

Авторами [29] исследовано влияние добавки нафталина (2 мас.%), хинолина (0.5 мас.%) и H2S (0.35 мас.%) на превращение дибензотиофена (ДБТ) в присутствии ненанесенного NiMoW-сульфидного катализатора, полученного методом гидротермального синтеза. Было показано, что при введении H2S процесс превращения ДБТ протекает по пути гидрогенолиза, добавление хинолина приводит к существенному снижению степени превращения ДБТ, а нафталин оказывает незначительное влияние на конверсию ДБТ.

Цель данного исследования — оценка зависимости активности и характеристики формируемых in situ из маслорастворимых прекурсоров сульфидных катализаторов превращения смесей нафталин–пиридин различного состава, от количества вводимой в систему элементной серы.

Экспериментальная часть

Все используемые в работе реагенты применяли без проведения дополнительной стадии очистки. Для формирования in situ NiW-сульфидных катализаторов использовали 2-этилгексаноат никеля(II) Ni(C7H15COO)2 (78%-ный раствор в 2-этилгексановой кислоте, Sigma-Aldrich), гексакарбинил вольфрама W(CO)6 (99.99%, Sigma-Aldrich) и элементную серу (99.9% ООО Компонент-Реактив). В качестве субстратов использовали пиридин (99%, Sigma-Aldrich) и нафталин (99%, Sigma-Aldrich), а в качестве растворителя н-октан (99%, Sigma-Aldrich).

Процесс проводили в реакторе периодического действия автоклавного типа объемом 45 мл. Для предварительных экспериментов с чистыми пиридином и нафталином в реактор помещали 2 г раствора, содержащего н-октан (0.015 моль) и пиридин (0.001 моль) или нафталин (0.0015 моль), далее добавляли 2-этилгексаноат никеля(II) и гексакарбонил вольфрама в количестве 7.3×10–5 и 1.5×10–4 моль соответственно, а также элементную серу в количестве 6×10–4 или 1.5×10–3 моль.

Для экспериментов со смесями пиридина и нафталина в реактор помещали 2 г раствора, содержащего н-октан (0.015 моль) и нафталин (0.0015 моль), добавляли пиридин в количестве от 2.5×10–5 до 0.002 моль (что составляло от 0.1 до 9 мас.% смеси). Далее добавляли прекурсоры никеля и вольфрама и элементную серу в количествах, указанных выше. Автоклав заполняли водородом до уровня давления 5 МПа, далее нагревали до 380°C при постоянном перемешивании и выдерживали в течение 5 ч. По окончании времени реактор охлаждали до комнатной температуры.

Анализ продуктов превращения проводили на хроматографе Кристаллюкс-4000 М (ООО НПФ Мета-хром, Россия), снабженном пламенно-ионизационным детектором, капиллярной колонкой с неподвижной жидкой фазой SРB-1 (30 м × 0.25 мм × 0.25 мкм, Superlco), газ-носитель — гелий. Качественный анализ состава полученных жидких продуктов проводили на газожидкостном хроматографе Trace 1310 GC (Thermo Scientific, Германия), снабженном моноквадрупольным масс-спектрометром ISQ 7000 (энергия ионизации 70 эВ) и капиллярной колонкой Varian VF-5MS (30 м × 0.25 мм × 0.25 мкм), газ-носитель — гелий.

Для проведения физико-химического анализа сформированные in situ NiW-катализаторы после проведения реакции отделяли от продуктов центрифугированием, промывали н-октаном, затем ацетоном, сушили в токе аргона и далее хранили в атмосфере инертного газа.

Фазовый состав катализаторов определяли методом рентгенофазового анализа (РФА) на приборе Rigaku Rotaflex RU-200 (Rigaku, Япония) с CuKα-излучением, со скоростью вращения 1°/мин и шагом 0.04° в диапазоне 5°–100° 2θ. Качественный анализ фазового состава образцов был проведен с использованием базы данных порошковых дифрактограмм PDF-2 ICDD.

Структуру и морфологию катализаторов определяли методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с использованием электронного микроскопа Tecnai Osiris TM (Tecnai Osiris FEI, США) с ускоряющим напряжением 200 кэВ. Полученные снимки были обработаны с использованием программного комплекса GATAN Digital Micrograph. Карты распределения элементов были получены методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии с использованием высокоуглового кольцевого темнопольного детектора (HAADF).

На основании статистического анализа, проведенного после обработки микрофотографий, определяли среднюю длину сульфидных частиц L- и среднее число слоев N- в сульфидном пакете:

L-=Iin, (1)

где li — длина i-го кристаллита, n — число кристаллитов;

N-=Ninin, (2)

где n — число кристаллитов с Ni слоев.

Считая, что сформированные частицы имеют гексагональную форму, рассчитывали геометрические характеристики сульфидных частиц по методу, предложенному в [30]: число атомов W вдоль одной стороны кристаллита WS2 ni,

ni=10×L-3.2+12, (3)

число атомов W, расположенных на ребрах кристаллита WS2 (We),

We=6ni-12·N-, (4)

число атомов W, расположенных на углах кристаллита WS2Wc,

Wc=6N-, (5)

общее число атомов W в средней частице WS2 (WT),

WT=3ni2-3ni+1·N-; (6)

дисперсность частиц (D)

D=Wc+WeWT. (7)

Фазовый состав поверхности полученных катализаторов определяли методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) с помощью электронного спектрометра PREVAC EA15 (Prevac, Польша) с источником излучения AlKα (hν = 1486.74 эВ, 150 Вт). Спектр Cls (BE = = 284.8 эВ) был использован для калибровки.

Абсолютное содержание фаз WS2 (CWS2) и Ni–W–S (CNiWS) на поверхности катализаторов, а также степень промотирования атомами Ni кристаллитов WS2 p(Ni/W) рассчитывали по формулам, приведенным в [21].

Результаты и их обсуждение

Нафталин и пиридин — классические субстраты, используемые для тестирования катализаторов гидродеароматизации и гидродеазотирования. В том числе нашей исследовательской группой именно на примере превращения нафталина и его замещенных исследовали закономерности формирования и свойства сульфидных катализаторов, получаемых in situ из карбонила вольфрама и этилгексаноата никеля [31, 32]. Процессы гидродеазотирования на таких каталитических системах ранее, как отмечали выше, не исследовались. Гидродеазотирование пиридина, согласно литературным данным [33, 34], протекает согласно следующим стадиям: насыщение гетероциклического кольца с образованием пиперидина, за которым следует раскрытие пиперидинового кольца с образованием пентиламина, далее пентена-1 и затем гидрирование с образованием пентана. Азот удаляется в виде аммиака.

Предварительные эксперименты по превращению пиридина и нафталина (табл. 1) показали, что независимо от количества вводимой в реакционную систему серы наблюдается исчерпывающее деазотирование пиридина, в продуктах превращения обнаруживаются только пентан и пентены с селективностью образования 92 и 8% соответственно. Нафталин практически полностью гидрируется до декалинов (цис- и транс-).

 

Таблица 1. Состав продуктов превращения пиридина и нафталина (380°C, 5.0 МПа Н2, 5 ч, 7.3×10–5 моль Ni, 1.5×10–4 моль W)

Субстрат

Субстрат /

W, мольн.

S/W, мольн.

Состав продуктов превращения, %

пентан

пентены

тетралин

декалины

Пиридин

10/1

4/1

92

8

10/1

93

7

Нафталин

10/1

4/1

3

97

10/1

1

99

 

Гидрогенизационные процессы переработки как традиционного углеводородного сырья, так и альтернативных источников углеводородов предполагают протекание сразу нескольких процессов, потому исследование превращения смесей различных тестовых субстратов обосновано. Увеличении количества вводимого пиридина в реакционную смесь от 0.1 до 1 мас.% практически не влияет на долю декалинов в продуктах (рис. 1а, б) независимо от количества вводимой элементной серы, доля декалинов составляет 94–97 мас.%. Более существенное снижение содержания продуктов полного гидрирования нафталина до 86 (рис. 1а) и 84 мас.% (рис. 1б) наблюдали при введении 3 и 2 мас.% пиридина соответственно. Наибольшее снижение гидрирующей активности (51 мас.% декалинов) наблюдали при максимально введенном количестве пиридина (9 мас.%) в систему (рис. 1б).

 

Рис. 1. Зависимость состава продуктов гидрирования нафталина от содержания пиридина в реакционной смеси при соотношении S/W: (a) 4/1 мольн. и (б) 10/1 мольн. (380°C, 5.0 МПа Н2, 5 ч, 7.3×10–5 моль Ni, 1.5×10–4 моль W).

 

Степень превращения пиридина также зависит от состава реакционной смеси (рис. 2а, б). При мольном отношении нафталин/пиридин не превышающем 2, пиридин практически полностью превращается в пентан, доля пентенов в продуктах не превышает 7% (рис. 2б). Увеличение содержания нафталина (отношения нафталин/пиридин от 15 до 60 мольн.) приводит к существенному росту доли непревращенного пиридина — до 12 и 19% при мольном соотношении S/W 4/1 и 10/1 соответственно. Как и в случае чистого пиридина (табл. 1), пиперидин и пентиламин в продуктах не обнаруживали.

Полученные закономерности превращения смесей пиридин–нафталин согласуются с литературными данными о том, что предпочтительная адсорбция азотсодержащих соединений на активных каталитических центрах может ингибировать протекание прочих процессов, в том числе гидрирование ароматических соединений [35]. В работе [36] отмечено, что высокое молярное соотношение H2S/пиридин способствует образованию пентана и пентенов, положительное влияние H2S на скорость разрыва связи C–N гораздо более выражено, чем уменьшение скорости гидрирования за счет конкурентной хемосорбции между H2S и H2 на поверхности катализатора. В нашем же случае увеличение количества серы в реакционной системе, а следовательно, количества образующегося H2S, не привело к росту содержания продуктов деазотирования, напротив, степень превращения пиридина снизилась (рис. 2б).

 

Рис. 2. Зависимость состава продуктов превращения пиридина от мольного отношения нафталин/пиридин в реакционной смеси при соотношении S/W: (a) 4/1 мольн.; (б) 10/1 мольн. (380°C, 5.0 МПа Н2, 5 ч, 7.3×10–5 моль Ni, 1.5×10–4 моль W).

 

Для оценки влияния количества вводимой в реакционную среду серы на структурные и текстурные характеристики формируемых in situ сульфидных катализаторов после проведения эксперимента были выделены два образца, обозначенные как NiW_4 и NiW_10, полученные при соотношении S/W равном 4 и 10, соответственно, и прочих стандартных условиях проведения экспериментов (380°C, 5.0 МПа Н2, 5 ч, 7.3×10–5 моль Ni, 1.5×10–4 моль W, отношение нафталин/пиридин = 3/1 мольн.)

Методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии установлено, что атомы Ni, W и S по поверхности образцов сформированных катализаторов NiW_4 и NiW_10 распределены равномерно (элементные карты приведены в дополнительных материалах).

По данным РФА, образцы сульфидных катализаторов NiW_4 и NiW_10 слабо кристаллизованы, о чем свидетельствует уширение рефлексов на дифрактограммах образцов (рис. 3а, б). Дифракционные спектры исследованных образцов подобны, наблюдается рефлекс при 2θ ≈ 14.4°, соответствующий фазе WS2 (согласно PDF № 2-131), базальная плоскость (002) [37]. Увеличение количества сульфидирующего агента не привело к изменению интенсивности рефлексов. Отсутствие на дифрактограммах рефлексов, соответствующих фазам Ni, NixSy, NiO, позволяет предположить, что атомы промотора хорошо диспергированы в фазе WS2 [38].

 

Рис. 3. Дифрактограммы образцов катализаторов, сформированных in situ (380°C, 5.0 МПа Н2, 5 ч, 7.3×10–5 моль Ni, 1.5×10–4 моль W, нафталин/пиридин = 3/1 мольн.): 1 — NiW_4; 2 — NiW_10.

 

По данным метода ПЭМ, катализаторы характеризуются типичной для сульфидов слоистой структурой (рис. 4а–г). Межплоскостное расстояние 6.0 ± 0.1 Å указывает на базальную плоскость (002) фазы WS2 [39]. На микрофотографиях, полученных при высоком разрешении видны структуры с межплоскостным расстоянием 2.0 ± 0.1 Å (рис. 4в, д), что соответствует плоскости решетки (200) NiO [40], а также с расстояниями 2.8 ± 0.1 Å и 3.9 ± 0.1 Å (рис. 4д), соответствующим плоскостям (110) и (101) Ni3S2 [41].

 

Рис. 4. Микрофотографии образцов катализаторов, сформированных in situ (380°C, 5.0 МПа Н2, 5 ч, 7.3×10–5 моль Ni, 1.5×10–4 моль W, нафталин/пиридин = 3/1 мольн.): а, б, в — NiW_4; г, д, е — NiW_10.

 

Характеристики сульфидных частиц катализаторов NiW_4 и NiW_10 (табл. 2) определены на основании результатов статистической обработки ПЭМ снимков.

 

Таблица 2. Основные характеристики и фазовый состав сульфидных частиц катализаторов NiW_4 и NiW_10

Характеристика

NiW_4

NiW_10

По данным ПЭМ

L-, нм

7.1

5.5

N-

3.4

3.9

ni

11.5

9.1

We

193.8

166.1

Wc

20.4

23.4

WT

1235.0

866.3

D

0.1

0.2

По данным РФЭС

CNiWS

1.3

1.4

CWS2

4.9

3.6

p(Ni/W)

0.26

0.39

 

Установлено, что при большем содержании серы в реакционной системе образуются более дисперсные сульфидные частицы (образец NiW_10, табл. 2). Высокодисперсные сульфидные частицы содержат больше краевых и угловых активных центров [42], что ведет к росту активности в гидрогенизационных процессах. Однако в нашем случае это практически не влияет на активность в гидрировании нафталина и деазотировании пиридина, состав продуктов (рис. 1, рис. 2) на катализаторах NiW_4 и NiW_10 отличается несущественно, соответственно, 96 и 94 мас.% тетралинов (гидрирование нафталина), 97 и 99 мас.% продуктов деазотирования пиридина. Можно предположить, что не только дисперсность сульфидных частиц определяет активность формируемых катализаторов. Как хорошо видно по микрофотографиям ПЭМ (рис. 4а, г) для катализатора NiW_4 характерно более широкое распределение частиц по длине (рис. 2 в разделе “Дополнительные материалы”) и они имеют изогнутую форму. Авторы [43], исследуя ненанесенные MoS2 катализаторы гидрообессеривания, установили, что изогнутые частицы MoS2, несмотря на меньшую концентрацию краевых активных центров, оказываются более активными. Вероятно, активные центры образуются в местах изгибов. В работе [44] описан схожий эффект, установлено, что ненанесенные MoS2 катализаторы с изогнутыми частицами активны в отношении гирирования 1-метилнафталина.

По данным метода РФЭС, исследованные катализаторы имеют близкий элементный состав поверхности (табл. 3). Спектры уровней Ni2p, W4f, S2p, зарегистрированные для образцов катализаторов NiW_4 и NiW_10, подобны. На рис. 5 представлена деконволюция спектров Ni2p, W4f, S2p образца NiW_10.

 

Таблица 3. Элементный состав поверхности катализаторов

Катализатор

Атомные концентрации, ат.٪

Атомное соотношение

W

Ni

S

Ni/W

S/(Ni + W)

NiW_4

7.7

2.0

26.4

0.26

2.7

NiW_10

6.3

2.5

22.1

0.39

2.5

 

Рис. 5. Деконволюция спектров: (а)W4f, (б) Ni2p и (в) S2p уровней NiW_10 катализатора.

 

Деконволюция W4f уровня (рис. 5а) позволила установить присутствие трех форм вольфрама: сульфидной WS2, оксисульфидной WOxSy и оксидной WO, о чем свидетельствует наличие соответствующих сигналов на спектрах (рис. 5) [37, 45]. Никель находится в трех состояниях: сульфидном NiхSу, оксидном NiO и в составе смешанной никель-вольфрам сульфидной фазы Ni–W–S [21, 45] (рис. 4б). Сера в составе катализатора преимущественно присутствует в сульфидной форме S2–, а также сульфатной SO42– и S22– [21, 46] (рис. 5в).

Данные о концентрации обнаруженных на поверхности катализаторов фаз, рассчитанных по спектрам после их деконволюции, представлены в табл. 4. Существенного различия фазового состава поверхности образцов катализаторов не установлено.

 

Таблица 4. Содержание фаз, определенное по спектрам РФЭС катализаторов

Элемент

NiWS_4

NiWS_10

Состояние

E, эВ

доля,%

E, эВ

доля,%

W4f

4f7/2

32.5

64.4

32.5

58.0

WS2

4f5/2

34.7

34.6

4f7/2

33.1

21.2

33.1

22.8

WOxSy

4f5/2

35.2

35.2

4f7/2

36.2

14.4

36.1

19.2

WO3

4f5/2

38.2

38.2

Ni2p

2p3/2

852.6

13.9

852.6

12.6

NiхSy

2p1/2

869.9

870.0

2p3/2

853.6

66.4

853.7

55.5

Ni–W–S

2p1/2

871.0

871.0

2p3/2

856.5

19.7

856.5

31.9

NiO

2p1/2

873.9

874.1

S2p

2p3/2

162.0

84.1

162.0

76.1

S2–

2p1/2

163.0

163.1

2p3/2

163.2

13.1

163.4

18.4

S22–

2p1/2

164.3

164.4

2p3/2

168.8

2.8

168.8

5.4

SO42–

2p1/2

169.9

169.9

 

Активной фазой сульфидных никель-вольфрамовых катализаторов является смешанная никель-вольфрам сульфидная фаза Ni–W–S, которая формируется при замещении атомами никеля краевых атомов вольфрама в кристаллите WS2 [45, 47], высокое содержание которой обеспечивает гидрирующую активность катализатора. На основании данных по элементному составу поверхности катализаторов (табл. 3) и содержанию фаз, рассчитанному по спектрам РФЭС (табл. 4), определены абсолютное содержание NiS2 и Ni–W–S фаз, а также степень промотирования атомами никеля кристаллитов WS2 (табл. 2). Установлено, что при формировании сульфидного катализатора при большем содержании серы формируются более частицы WS2 с большей степенью промотирования (образец NiW_10).

Заключение

Таким образом, впервые в присутствии сформированных in situ сульфидных никель-вольфрамовых катализаторов проведен процесс совместного превращения нафталина и пиридина. Показано, что состав продуктов гидрирования нафталина и гидродеазотирования пиридина зависит от состава реакционной смеси и количества серы, используемой для получения никель-вольфрамового катализатора. Предположено, что процесс конкурирующей адсорбции на активных центрах оказывает большее влияние на распределение продуктов превращения исследованных субстратов, чем структурные и текстурные особенности катализаторов, формируемых при различном содержании серы.

Благодарности

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП “Аналитический центр проблем глубокой переработки нефти и нефтехимии” ИНХС РАН.

Финансирование работы

Работа выполнена в рамках государственного задания ИНХС РАН.

Конфликт интересов

Автор Максимов А.Л. является главным редактором журнала “Нефтехимия”. Остальные авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

×

About the authors

Мария Игоревна Князева

Институт нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН

Author for correspondence.
Email: knyazeva@ips.ac.ru
ORCID iD: 0000-0001-9054-0905

к. х. н.

Russian Federation, 199991, Москва

Айгуль Фанисовна Зиниатуллина

Институт нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН

Email: knyazeva@ips.ac.ru
ORCID iD: 0000-0001-5902-0194
Russian Federation, 199991, Москва

Татьяна Сергеевна Кучинская

Институт нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН

Email: knyazeva@ips.ac.ru
ORCID iD: 0000-0002-2908-0353
Russian Federation, 199991, Москва

Антон Львович Максимов

Институт нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН

Email: knyazeva@ips.ac.ru
ORCID iD: 0000-0001-9297-4950

д. х. н., чл.- корр. РАН

Russian Federation, 199991, Москва

References

  1. Song C., Saini A.K., Schobert H.H. Retrogressive reactions in catalytic coal liquefaction using dispersed MoS2 // Coal Science and Technology. 1995. V. 24. P. 1215–1218. https://doi.org/10.1016/S0167-9449(06)80020-0
  2. Angeles M.J., Leyva C., Ancheyta J., Ramírez S. A review of experimental procedures for heavy oil hydrocracking with dispersed catalyst // Catalysis Today. 2014. V. 220–222. P. 274–294. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2013.08.016
  3. Eijsbouts S., Mayo S.W., Fujita K. Unsupported transition metal sulfide catalysts: From fundamentals to industrial application // Applied Catalysis A: General. 2007. V. 322. P. 58–66. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2007.01.008
  4. Chianelli R.R., Berhault G., Torres B. Unsupported transition metal sulfide catalysts: 100 years of science and application // Catalysis Today. 2009. V. 147. I. 3–4. P. 275–286. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2008.09.041
  5. Nguyen M.T., Nguyen N.T., Cho J., Park C., Park S., Jung J., Lee C. W. A review on the oil-soluble dispersed catalyst for slurry-phase hydrocracking of heavy oil // J. of Ind. and Eng. Chemistry. 2016. V. 43. P. 1–12. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2016.07.057
  6. Prajapati R., Kohli K., Maity S. K. Slurry phase hydrocracking of heavy oil and residue to produce lighter fuels: An experimental review // Fuel. 2021. V. 288. ID. 119686. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.119686
  7. Vogelgsang F., Ji Y., Shi H., Lercher J.A. On the multifaceted roles of NiSx in hydrodearomatization reactions catalyzed by unsupported Ni-promoted MoS2 // J. of Catalysis. 2020. V. 391. P. 212–223. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2020.08.026
  8. Olivas A., Galvan D.H., Alonso G., Fuentes S. Trimetallic NiMoW unsupported catalysts for HDS // Applied Catalysis A: General. 2009. V. 352. I. 1–2. P. 10–16. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2008.09.022
  9. Yi Y., Zhang B., Jin X., Wang L., Williams C. T., Xiong G., Su D., Liang C. Unsupported NiMoW sulfide catalysts for hydrodesulfurization of dibenzothiophene by thermal decomposition of thiosalts // J. of Molecular Catalysis A: Chemical. 2011. V. 351. P. 120–127. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2011.09.024
  10. Li P., Chen Y., Zhang C., Huang B., Liu X., Liu T., Jiang Z., Li C. Highly selective hydrodesulfurization of gasoline on unsupported Co-Mo sulfide catalysts: Effect of MoS2 morphology // Applied Catalysis A: General. 2017. V. 533. P. 99–108. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2017.01.009
  11. Yue L., Li G., Zhang F., Chen L., Li X., Huang X. Size-dependent activity of unsupported Co–Mo sulfide catalysts for the hydrodesulfurization of dibenzothiophene // Applied Catalysis A: General. 2016. V. 512. P. 85–92. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2015.12.016
  12. Yoosuk B., Tumnantong D., Prasassarakich P. Amorphous unsupported Ni–Mo sulfide prepared by one step hydrothermal method for phenol hydrodeoxygenation // Fuel. 2012. V. 91. I. 1. P. 246–252. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2011.08.001
  13. Wang C., Wu Z., Tang C., Li L., Wang D. The effect of nickel content on the hydrodeoxygenation of 4-methylphenol over unsupported NiMoW sulfide catalysts // Catalysis Communications. 2013. V. 32. P. 76–80. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2012.11.031
  14. Yoosuk B., Sanggam P., Wiengket S., Prasassarakich P. Hydrodeoxygenation of oleic acid and palmitic acid to hydrocarbon-like biofuel over unsupported Ni–Mo and Co–Mo sulfide catalysts // Renewable Energy. 2019. V. 139. P. 1391–1399. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.03.030
  15. Burimsitthigul T., Yoosuk B., Ngamcharussrivichai C., Prasassarakich P. Hydrocarbon biofuel from hydrotreating of palm oil over unsupported Ni–Mo sulfide catalysts // Renewable Energy. 2021. V. 163. P. 1648–1659. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.10.044
  16. Джабаров Э.Г., Петрухина Н.Н. Гидродехлорирование 1.4-дихлорбензола на ненанесенных сульфидных катализаторах // Наногетерогенный катализ. 2022. Т. 7. № 2. С. 58–67. https://doi.org/10.56304/S2414215822020034 [Dzhabarov E.G., Petrukhina N.N. Hydrodechlorination of 1,4-dichlorobenzene over unsupported sulfide catalysts // Petrol. Chemistry. 2023. V. 62. P. 1334–1342. https://doi.org/10.1134/S0965544122110032 ]
  17. Dzhabarov E.G., Petrukhina N.N., Zakharyan E.M.Hydrodechlorination of a two-component mixture of chloroaromatic compounds in the presence of an unsupported sulfide catalyst // Mendeleev Communications. 2023. V. 33. I. 6. P. 839–840. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2023.10.033
  18. Вутолкина А.В., Махмутов Д.Ф., Занина А.В., Максимов А.Л., Глотов А.П., Синикова Н.А., Караханов Э.А. Гидрирование ароматических субстратов на дисперсных Ni–Mo сульфидных катализаторах в системе H2O/CO // Наногетерогенный катализ. 2018. Т. 3. № 1. С. 12–18. https://doi.org/10.1134/S2414215818010094 [Vutolkina A.V., Makhmutov D.F., Zanina A.V., Maximov A.L., Glotov A.P., Sinikova N.A., Karakhanov E.A. Hydrogenation of aromatic substrates over dispersed Ni–Mo sulfide catalysts in system H2O/CO // Petrol. Chemistry. 2018. V. 58. P. 528–534. https://doi.org/10.1134/S0965544118070095 ]
  19. Вутолкина А.В., Махмутов Д.Ф., Занина А.В., Максимов А.Л., Копицын Д.С., Глотов А.П., Егазарьянц С.В., Караханов Э.А. Гидропревращение производных тиофена на дисперсных Ni–Mo сульфидных катализаторах // Наногетерогенный катализ. 2018. Т. 3. № 2. С. 130–135. https://doi.org/10.1134/S2414215818020144 [Vutolkina A.V., Makhmutov D.F., Zanina A.V., Maximov A.L., Kopitsin D.S., Glotov A.P., Egazar’yants S.V., Karakhanov E.A. Hydroconversion of thiophene derivatives over dispersed Ni-Mo sulfide catalysts // Petrol. Chemistry. 2018. V. 58. P. 1227–1232. https://doi.org/10.1134/S0965544118140141 ]
  20. Вутолкина А.В., Глотов А.П., Максимов А.Л., Караханов Э.А. Гидропревращение 2-метилнафталина и дибенотиофена на сульфидных катализаторах под давлением монооксида углерода в присутствии воды // Известия Академии наук. Серия химическая. 2020. № 2. С. 280–288. EDN: OUMDLK [Vutolkina A.V., Glotov A.P., Maximov A.L., Karakhanov E.A. Hydroconversion of 2-methylnaphtalene and dibenzothiophene over sulfide catalysts in the presence of water under CO pressure // Russian Chemical Bulletin. 2020. V. 69. P. 280–288. https://doi.org/10.1007/s11172-020-2757-z ]
  21. Vutolkina A., Glotov A., Baygildin I., Akopyan A., Talanova M., Terenina M., Maximov A., Karakhanov E. Ni–Mo sulfide nanosized catalysts from water-soluble precursors for hydrogenation of aromatics under water gas shift conditions // Pure and Applied Chemistry. 2020. V. 92. № 6. P. 949–966. https://doi.org/10.1515/pac-2019-1115
  22. Maximov A.L., Sizova I.A., Khadzhiev S.N. Catalysis in a dispersion medium for the hydrogenation of aromatics and hydrodearomatization in oil refining // Pure and Applied Chemistry. 2017. V. 89. № 8. P. 1145–1155. https://doi.org/10.1515/pac-2016-1202
  23. Prado G. H.C., Rao Y., de Klerk A. Nitrogen removal from oil: a review // Energy Fuels. 2017. V. 31. I. 1. P. 14–36. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.6b02779
  24. Han D.Y., Li G.X., Cao Z.B., Zhai X.Y., Yuan M.M. A study on the denitrogenation of Fushun shale oil // Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2013. V. 35. P. 622–628. https://doi.org/10.1080/15567036.2010.509085
  25. Badari C.A., Lónyi F., Dóbé S., Hancsók J., Valyon J. Catalytic hydrodenitrogenation of propionitrile over supported nickel phosphide catalysts as a model reaction for the transformation of pyrolysis oil obtained from animal by-products // Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. 2015. V. 115. P. 217–230. https://doi.org/10.1007/s11144-015-0842-3
  26. Leng L., Zhang W., Peng H., Li H., Jiang S., Huang H. Nitrogen in bio-oil produced from hydrothermal liquefaction of biomass: A review // Chem. Eng. J. 2020. V. 401. ID126030. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126030
  27. Nadeina K.A., Budukva S.V., Vatutina Y.V., Mukhacheva P.P., Gerasimov E.Y., Pakharukova V.P., Klimov O.V., Noskov A.S. Unsupported Ni–Mo–W hydrotreating catalyst: influence of the atomic ratio of active metals on the HDS and HDN activity // Catalysts. 2022. V. 12. ID1671. https://doi.org/10.3390/catal12121671
  28. Perot G. The reactions involved in hydrodenitrogenation // Catalysis Today. 1991. V. 10. I. 4. P. 447–472. https://doi.org/10.1016/0920-5861(91)80033-6
  29. Changlong Yin, Haonan Zhang, Tongtong Wu, Zhuyan Wu, Kunpeng Li, Yan Kong, Chengwu Dong, Chenguang Li. Effect of naphthalene quinoline and H2S on DBT hydrodesulfurization over unsupported NiMoW catalyst // Korean J. of Chem. Eng. 2019. V. 36. P. 1983–1990. https://doi.org/10.1007/s11814-019-0409-5
  30. Kasztelan S., Toulhoat H., Grimblot J., Bonnelle J.P. A geometrical model of the active phase of hydrotreating catalysts // Applied Catalysis. 1984. V. 13. I. 1. V. 127–159. https://doi.org/10.1016/S0166-9834(00)83333-3
  31. Сизова И.А., Куликов А.Б., Онищенко М.И., Сердюков С. И., Максимов А. Л. Синтез сульфидного никель-вольфрамового катализатора гидродеароматизации разложением маслорастворимых прекурсоров // Нефтехимия. 2016. Т. 56. № 1. С. 52–58. https://doi.org/10.7868/S0028242115060179 [Sizova I.A., Kulikov A.B., Onishchenko M.I., Serdyukov S.I., Maksimov A.L. Synthesis of nickel-tungsten sulfide hydrodearomatization catalysts by the decomposition of oil-soluble precursors // Petrol. Chemistry. 2016. V. 56. P. 44–50. https://doi.org/10.1134/S0965544115080174 ]
  32. Kuchinskaya T.S., Knyazeva M.I., Maximov A.L. Specific features of the in situ formation of an unsupported NiWS nanosize catalyst from oil-soluble precursors // Catalysis Letters. 2023. V. 153. P. 198–203. https://doi.org/10.1007/s10562-022-03966-9
  33. Schwartz V., Oyama S.T. Reaction network of pyridine hydrodenitrogenation over carbide and sulfide catalysts // J. of Molecular Catalysis A: Chemical. 2000. V. 163. I. 1–2. P. 269–282. https://doi.org/10.1016/S1381-1169(00)00391-5
  34. Prins R., Jian M., Flechsenhar M. Mechanism and kinetics of hydrodenitrogenation // Polyhedron. 1997. V. 16. I. 18. P. 3235–3246. https://doi.org/10.1016/S0277-5387(97)00111-3
  35. Furimsky E., Massoth F.E. Hydrodenitrogenation of petroleum // Catalysis Reviews: Science and Engineering. 2005. V. 47. I. 3. P. 297–489. https://doi.org/10.1081/CR-200057492
  36. Raghuveer C.S., Thybaut J.W., De Bruycker R., Metaxas K., Bera T., Marin G.B. Pyridine hydrodenitrogenation over industrial NiMo/γ-Al2O3 catalyst: Application of gas phase kinetic models to liquid phase reactions // Fuel. 2014. V. 125. P. 206–218. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2014.02.017
  37. Le Z., Afanasiev P., Li D., Long X., Vrinat M. Solution synthesis of the unsupported Ni–W sulfide hydrotreating catalysts // Catalysis Today. 2008. V. 130. I. 1. P. 24–31. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2007.07.002
  38. Jin X., Ma C., Yi Y., Zhang Q., Qiu J., Liang C. Controlled preparation of unsupported binary and ternary sulfides with high surface area from tetraalkylammonium thiosalts // J. of Physics and Chemistry of Solids. 2010. V. 71. I. 4. P. 642–646. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2009.12.057
  39. An G., Liu C., Xiong C., Lu C. A study on the morphology of unsupported Ni–Mo–W sulfide hydrotreating catalysts through high-resolution transmission electron microscopy // Petrol. Science and Technology. 2012. V. 30 (15). P. 1599–1608. https://doi.org/10.1080/10916466.2010.509065
  40. Ding X., Liu D., Zhao P., Chen X., Wang H., Oropeza F.E., Gorni G., Barawi M., García-Tecedor M., de la Peña O’Shea V.A., Hofmann J. P., Li J., Kim J., Cho S., Wu R., Zhang K. H.L. Dynamic restructuring of nickel sulfides for electrocatalytic hydrogen evolution reaction // Nature Communications. 2024. V. 15. ID5336. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49015-4
  41. Xia Q., Si L., Liu K., Zhou A., Su C., Shinde N. M., Fan G., Dou J. In situ preparation of three-dimensional porous nickel sulfide as a battery-type supercapacitor // Molecules. 2023. V. 28. ID4307. https://doi.org/10.3390/molecules28114307
  42. Vradman L., Landau M.V. Structure-function relations in supported Ni–W sulfide hydrogenation catalysts // Catalysis Letters. 2001. V. 77. P. 47–54. https://doi.org/10.1023/A:1012743213339
  43. Nogueira A., Znaiguia R., Uzio D., Afanasiev P., Berhault G. Curved nanostructures of unsupported and Al2O3-supported MoS2 catalysts: Synthesis and HDS catalytic properties // Applied Catalysis A: General. 2012. V. 429–430. P. 92–105. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2012.04.013
  44. Iwata Y., Araki Y., Honna K., Miki Y., Sato K., Shimada H. Hydrogenation active sites of unsupported molybdenum sulfide catalysts for hydroprocessing heavy oils // Catalysis Today. 2001. V. 65. I. 2–4. P. 335–341. https://doi.org/10.1016/S0920-5861(00)00554-X
  45. Tayeb K.B., Lamonier C., Lancelot C., Fournier M., Bonduelle-Skrzypczak A., Bertoncini F. Active phase genesis of NiW hydrocracking catalysts based on nickel salt heteropolytungstate: Comparison with reference catalyst // Applied Catalysis B: Environmental. 2012. V. 126. P. 55–63. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2012.06.025
  46. Serdyukov S.I., Kniazeva M.I., Sizova I.A., Zubavichus Y.V., Dorovatovskii P.V., Maximov A.L. A new precursor for synthesis of nickel-tungsten sulfide aromatic hydrogenation catalyst // Molecular Catalysis. 2021. V. 502. ID11135747. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2020.111357
  47. Shimada H., Matsubayashi N., Sato T., Yoshimura Y., Imamura M., Kameoka T., Yanase H., Nishijima A. Deterioration of the “Ni–W–S” phase of hydroprocessing catalysts during reaction // Japanese J. of Applied Physics. 1993. V. 32 (2). P. 463–465. https://doi.org/10.7567/JJAPS.32S2.463

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Supplementary materials
Download (414KB)
3. Fig. 1. Dependence of the composition of naphthalene hydrogenation products on the pyridine content in the reaction mixture at S/W ratios of (a) 4/1 mol. and (b) 10/1 mol. (380°C, 5.0 MPa H2, 5 h, 7.3×10-5 mol Ni, 1.5×10-4 mol W).

Download (160KB)
4. Fig. 2. Dependence of the composition of pyridine conversion products on the molar ratio of naphthalene/pyridine in the reaction mixture at S/W ratio: (a) 4/1 mol; (b) 10/1 mol. (380°C, 5.0 MPa H2, 5 h, 7.3×10-5 mol Ni, 1.5×10-4 mol W).

Download (160KB)
5. Fig. 3. Diffractograms of catalyst samples formed in situ (380°C, 5.0 MPa H2, 5 h, 7.3×10-5 mol Ni, 1.5×10-4 mol W, naphthalene/pyridine = 3/1 mol%): 1 - NiW_4; 2 - NiW_10.

Download (117KB)
6. Fig. 4. Microphotographs of catalyst samples formed in situ (380°C, 5.0 MPa H2, 5 h, 7.3×10-5 mol Ni, 1.5×10-4 mol W, naphthalene/pyridine = 3/1 mol): a, b, c - NiW_4; d, e, f - NiW_10.

Download (1MB)
7. Fig. 5. Deconvolution of the spectra of (a)W4f, (b) Ni2p and (c) S2p levels of NiW_10 catalyst.

Download (212KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».