Xúc tác Dy2O3 biến tính kim loại kiềm và kiềm thổ cho phản ứng oxy hoá ghép đôi metan
DOI:
https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.114.2026.97-105Từ khóa:
OCM; Oxit đất Hiếm; Oxy hoá ghép đôi metan; Dy2O3; Metan; Etylen.Tóm tắt
Oxy hoá ghép đôi metan (OCM) là một hướng đi đầy triển vọng để sản xuất trực tiếp etylen từ khí thiên nhiên. Trong nghiên cứu này, một loạt các chất xúc tác dựa trên Dy2O3 được biến tính bởi kim loại kiềm và kiềm thổ (0.1MDy, trong đó M = Na, Ba, Sr) đã được tổng hợp thông qua phương pháp tẩm ướt. Kết quả XRD và FTIR đã xác nhận tính ổn định của pha tinh thể Dy2O3 lập phương và sự hình thành nhóm chức cacbonat trên bề mặt của các chất xúc tác được mang lên bởi kim loại kiềm thổ. Phân tích SEM-EDS cho thấy sự phân bố đồng đều của kim loại kiềm thổ trên bề mặt chất mang, trong khi đó gần như không ghi nhận sự xuất hiện của Natri. Không giống như các oxit đất hiếm nhẹ truyền thống thường bị nhiễm độc cacbonat nghiêm trọng, độ kiềm được điều chỉnh chính xác của ma trận Dy2O3 tạo điều kiện thuận lợi cho cơ chế ngăn chặn vị trí cacbonat năng động. Ưu điểm cấu trúc độc đáo này cho phép các chất xúc tác được cải tiến có thể ngăn chặn quá trình oxy hóa sâu một cách hiệu quả ngay cả trong môi trường giàu oxy, đòi hỏi cao (CH4/O2 = 4/1). Ở 800 °C, các kim loại kiềm thổ đã cho thấy khả năng định hướng phản ứng OCM tạo thành hydrocacbon, đặc biệt là xúc tác 0.1BaDy đạt hiệu suất C2 là 12.4%.
Tài liệu tham khảo
[1]. N. T. Sơn, P. H. Nhật, “So sánh kiểm kê phát thải khí nhà kính tại tỉnh Hậu Giang: Dự báo đến năm 2030 và 2050”, J. Mil. Sci. Technol., No. 98, pp. 86–93, (2024). (in Vietnamese)
[2]. D. B. Malpass, “Introduction to Industrial Polyethylene: Properties, Catalysts, and Processes”, John Wiley & Sons, p. 1, (2010).
[3]. T. H. Pham and H. L. Nguyen, “Organic Synthesis and Petrochemical Technology”, Science and Technics Publishing House, p. 7, (2006).
[4]. B. L. Farrell et al., “A viewpoint on direct methane conversion to ethane and ethylene using oxidative coupling on solid catalysts”, ACS Catal., Vol. 6, No. 7, pp. 4340–4346, (2016).
[5]. J. Kim et al., “In-situ exsolution of bimetallic CoFe nanoparticles on (La,Sr)FeO3 perovskite: Its effect on electrocatalytic oxidative coupling of methane”, Appl. Catal. B-Environ. Energy, Vol. 321, p. 122026, (2023).
[6]. C. Karakaya, H. Zhu, B. Zohour, S. Senkan and R. J. Kee, “Detailed reaction mechanisms for the oxidative coupling of methane over La2O3/CeO2 nanofiber fabric catalysts”, ChemCatChem, Vol. 9, No. 24, pp. 4538–4551, (2017).
[7]. J. Xu et al., “Developing reactive catalysts for low temperature oxidative coupling of methane: On the factors deciding the reaction performance of Ln2Ce2O7 with different rare earth A sites”, Appl. Catal. A-Gen., Vol. 552, pp. 117–128, (2018).
[8]. S. Arndt et al., “A critical assessment of Li/MgO-based catalysts for the oxidative coupling of methane”, Catal. Rev. - Sci. Eng., Vol. 53, No. 4, pp. 424–514, (2011).
[9]. B. Koo, K. Kim, J. K. Kim, H. Kwon, J. W. Han and W. C. Jung, “Sr segregation in perovskite oxides: Why it happens and how it exists”, Joule, Vol. 2, No. 8, pp. 1476–1499, (2018).
[10]. J. E. ten Elshof, H. J. M. Bouwmeester and H. Verweij, “Oxidative coupling of methane in a mixed-conducting perovskite membrane reactor”, Appl. Catal. A-Gen., Vol. 130, No. 2, pp. 195–212, (1995).
[11]. S. Jones, D. Aziz, J. Ilsemann, M. Bäumer and H. Hagelin-Weaver, “Effects of low molar concentrations of low-valence dopants on samarium oxide xerogels in the oxidative coupling of methane”, Catal. Today, Vol. 365, pp. 58–70, (2021).
[12]. D. Noon, B. Zohour and S. Senkan, “Oxidative coupling of methane with La2O3–CeO2 nanofiber fabrics: A reaction engineering study”, J. Nat. Gas Sci. Eng., Vol. 18, pp. 406–411, (2014).
[13]. T. K. Vo et al., “Green synthesis of nano CeO2 using Cleistocalyx operculatus leaf extract”, J. Mil. Sci. Technol., No. 101, pp. 95–101, (2025).
[14]. F. Alahmadi, A. Bavykina, D. Poloneeva, A. Ramirez, R. Schucker and J. Gascon, “Oxidative coupling of methane over strontium-doped neodymium oxide: Parametric evaluations”, AIChE J., Vol. 69, No. 4, p. e17959, (2023).
[15]. J. Chen et al., “Steady-state and transient kinetic studies of origins affecting the efficiency of oxidative coupling of methane over Ba/Gd2O3 catalysts”, ACS Catal., Vol. 15, No. 4, pp. 2760–2771, (2025).
[16]. G. Dedov, A. S. Loktev, I. I. Moiseev, A. Aboukais, J. F. Lamonier and I. N. Filimonov, “Oxidative coupling of methane catalyzed by rare earth oxides: Unexpected synergistic effect of the oxide mixtures”, Appl. Catal. A Gen., Vol. 245, No. 2, pp. 209–220, (2003).
[17]. M. Kim et al., “Reaction engineering of oxidative coupling of methane: Experimental observations and analysis of the impacts of operating parameters”, Chem. Eng. Res. Des., Vol. 172, pp. 84–98, (2021).
[18]. M. Salavati-Niasari and J. Javidi, “Synthesis of hollow SiO2 nanoparticles from Dy2O3-SiO2 core-shell nanocomposites via a recyclable sonochemical method”, J. Clust. Sci., Vol. 23, No. 4, pp. 1019–1028, (2012).
[19]. W. L. Baun and N. T. Mc Devitt, “Infrared absorption spectra of rare-earth oxides in the region 800 to 240 cm−1”, J. Am. Ceram. Soc., Vol. 46, No. 6, p. 294, (1963).
[20]. X. Wang et al., “High-temperature Raman and FTIR study of aragonite-group carbonates”, Phys. Chem. Miner., Vol. 46, No. 1, pp. 51–62, (2019).
[21]. N. D. Sharma et al., “Pressure-induced anomalous phase transformation in nano-crystalline dysprosium sesquioxide”, J. Raman Spectrosc., Vol. 42, No. 3, pp. 438–444, (2011).
[22]. B. D. Cullity and S. R. Stock, “Elements of X-ray Diffraction”, 3rd ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, pp. 86–90, (2001).
[23]. M. A. Alavi and A. Morsali, “Syntheses of BaCO3 nanostructures by ultrasonic method”, Ultrason. Sonochem., Vol. 15, No. 5, pp. 833–838, (2008).
[24]. P. R. Murthy, Y. Liu, G. Wu, Y. Diao and C. Shi, “Oxidative coupling of methane: Perspective for high-value C2 chemicals”, Crystals, Vol. 11, No. 9, pp. 10–11, (2021).
[25]. S. Zou et al., “Selective oxidative coupling of methane via surface-confined methyl-radical transformation”, ChemRxiv, (2024).
[26]. S. Arndt, T. Otremba, U. Simon, M. Yildiz, H. Schubert and R. Schomäcker, “Mn–Na2WO4/SiO2 as catalyst for the oxidative coupling of methane. What is really known?”, Appl. Catal. A-Gen., Vol. 425–426, pp. 53–61, (2012).
[27]. H. Fan, X. Nie, C. Song and X. Guo, “Unraveling the mechanism of ethane oxidative dehydrogenation and the important role of CO2 over Pt-Zn/ZSM-5 catalysts”, Appl. Catal. A-Gen., Vol. 681, p. 119800, (2024).
[28]. H. Wang, R. Schmack, S. Sokolov, E. V. Kondratenko, A. Mazheika and R. Kraehnert, “Oxide-supported carbonates reveal a unique descriptor for catalytic performance in the oxidative coupling of methane (OCM)”, ACS Catal., Vol. 12, No. 15, pp. 9325–9338, (2022).
[29]. R. C. Schucker, K. J. Derrickson, A. K. Ali and N. J. Caton, “Identification of the optimum catalyst and operating conditions for oxidative coupling of methane: Activity and selectivity of alkaline earth-doped lanthanides”, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 59, No. 41, pp. 18434–18446, (2020).
[30]. Y. Fan, C. Miao, Y. Yue, W. Hua and Z. Gao, “Nanosheet-like Ho2O3 and Sr-Ho2O3 catalysts for oxidative coupling of methane”, Catalysts, Vol. 11, p. 388, (2021).
