Nanocomposites and nanomaterials

Optimization of the commercial catalyst for the hydrogenation 
D.S. Kamenskyh1, T.V. Tkachenko1, V.A. Yevdokymenko1, Y.V. Sheludko1, M.M. Filonenko2, N.Y. Khimach1, M.M. Baran1, O.V. Pavluil1, V.I. Kashkovsky1
1V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the NAS of Ukraine, Murmanskaya str, 1, Kyiv-94, 02094, Ukraine.
2 National Pedagogical Dragomanov University, Pyrogova str., 9, Kyiv, 01601, Ukraine. E-mail: ttv13ttv@gmail.com 

Industrial hydrogenation processes are usually carried out in the presence of aluminum-nickel-molybdenum (ANM) or aluminum-cobalt-molybdenum (ACM) catalysts under hydrogen pressure up to 30.0 MPa at temperatures of 350–450 ° C. Consumption of large volumes of hydrogen, the possibility of poisoning the catalyst with metal residues in the feedstock and low productivity are among the shortcomings of existing processes. One of the promising ways to increase the efficiency of hydrocracking processes, along with improving the component composition of existing catalysts, is the use of membrane technologies. Replacement of granular catalysts on the membrane allows to use of the active catalytic mass and eliminate diffusion inhibitions on the way of supply of reagents to catalytic centers and removal of reaction products, which allows to increase the yield of target products, reduce temperature and process pressure. An additional increase in the activity of the membrane catalyst is achieved by introducing a proton-conducting component into it and creating an artificial directional flow of protons through it, which improves the relationship between the redox and acid-base centers. Improving existing industrial catalysts in these ways will increase the overall efficiency and cost-effectiveness of hydrogenation processes in general.
An analogue of an industrial ANM catalyst was synthesized: 8–10% NiO, 15–20% MoO3, 70–77% Al2O3. The reduced catalyst contains on the surface of the particles of metallic Nickel and molybdate Nickel NiMoO4 with the elemental composition of the catalyst layer to a depth of 5 nm Ni2,9Mo14,2Al12,7O70,2. A method for producing proton-conducting membranes on an elastic basis and a composite membrane catalyst based on porous ceramics sintered from aluminum and zirconium oxides at 1400 ° C has been developed. The pores of the membrane carrier are filled with proton-conducting material (10–20% wt.) Followed by application to the inner and outer surfaces of the ANM catalyst (80–90% wt.). When creating a directed flow of protons through the membrane catalyst on its surface in the reaction zone, hydrogen radicals are generated, as a result of which the activity of the catalyst 10–12 times increases.

Промислові гідрогенізаційні процеси зазвичай здійснюють у присутності алюмонікельмолібденових (АНМ) або алюмокобальтмолібденових (АКМ) каталізаторів під тиском водню до 30,0 МПа за температур 350–450 °С. Витрачання великих об’ємів водню, можливість отруєння каталізатора залишками металів у вихідній сировині та низька продуктивність належать до недоліків існуючих процесів. Одним із перспективних напрямів підвищення ефективності процесів гідрокрекінгу, поряд із вдосконаленням компонентного складу існуючих каталізаторів, є використання мембранних технологій. Заміна гранульованих каталізаторів на мембранні дозволяє максимально задіяти активну каталітичну масу і нівелювати дифузійні гальмування на шляху підведення реагентів до каталітичних центрів та відведення продуктів реакції, що дає можливість підвищити вихід цільових продуктів, знизити температуру та тиск процесу. Додаткове підвищення активності мембранного каталізатора досягається введенням до його складу протонопровідної складової і створенням крізь нього штучного направленого потоку протонів, що сприяє покращенню взаємозв’язку між окисно-відновними та кислотно-основними центрами. Вдосконалення існуючих промислових каталізаторів вказаними способами дозволить підвищити загальну ефективність й економічність гідрогенізаціїних процесів в цілому.
Синтезовано аналог промислового АНМ каталізатору складу: 8–10 % NiO, 15–20 % MoO3, 70–77 % Al2O3. Відновлений каталізатор містить на поверхні частки металічного нікелю та молібдату нікелю NiМоО4 з елементним складом шару каталізатора глибиною до 5 нм Ni2,9Мо14,2Al12,7О70,2. Розроблено спосіб одержання протонопровідних мембран на еластичній основі і композитного мембранного каталізатора на основі пористої кераміки, спеченої з оксидів алюмінію та цирконію при 1400 °С. Пори мембранного носія заповнюються протонопровідним матеріалом (10–20 % мас.) з наступним нанесенням на внутрішню та зовнішню поверхні АНМ каталізатора (80–90 % мас.). При створенні спрямованого потоку протонів крізь мембранний каталізатор на його поверхні в зоні реакції генеруються радикали водню, внаслідок чого активність каталізатора зростає ще в 10–12 разів.