Переработка природного газа в моторные топлива в XXI веке становится одной из важнейших проблем нефте- и газохимии. Синтез диметилового эфира (ДМЭ) и бензина через ДМЭ - одно из новых направлений в этой области. Синтез ДМЭ вписывается в схему переработки природного газа как путь, альтернативный синтезу метанола. Главное преимущество диметилового эфира как дизельного топлива - экологически чистый выхлоп, кроме того, цетановое число ДМЭ составляет 55-60 против 40-45,а температура воспламенения 235 °С против 250 °С в сравнении с обычным дизельным топливом. Для производства ДМЭ в качестве первого этапа наиболее подходящим является получение синтез-газа (СО + Н2) методом углекислотной конверсии метана (УКМ), вследствие того, что именно в данном процессе образуется эквимолярная смесь СО и водорода:
CH4 + CO2 = 2 CO + 2H2, ΔH°298 = 247 кДж/моль.
В настоящее время для получения синтез-газа в промышленности реализован только процесс паровой конверсии метана. Однако, в последнее время все больший интерес исследователей привлекают пока еще нереализованные на практике процессы парциального окисления и углекислотной конверсии метана, так как они расширяют возможности эффективного использования природного газа.
В представленной работе исследованы интерметаллиды переходных металлов (системы Ni-Al,Co-Al) в качестве контактных масс углекислотной конверсии метана. Впервые для синтеза катализаторов данного процесса применен метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) как наиболее выгодный способ организации синтеза с низкими энергозатратами, экспрессностью и высокой производительностью. Катализаторы данного типа отличаются термической стабильностью, механической прочностью и высокой теплопроводностью.
Высокую активность при температурах выше 1010 K проявила система на основе Ni3Al. Интерметаллиды состава NiAl и Ni2Al3 - неактивны. Рентгенофазовый анализ образцов NiAl и Ni2Al3 и СоА1 свидетельствовал об однофазности полученных систем и отсутствии каких-либо изменений в фазовом составе после проведения экспериментов УКМ. Ni3Al, CoxAly - многофазные системы, где наряду с фазами Ni3Al и CoAl присутствовали фазы NiAl, металлического Ni и Со гексагонального и Со кубического, соответственно. После каталитических исследований фазовый состав данных систем изменился: кроме указанных фаз обнаружены фазы карбида никеля, кобальта и графитоподобного углерода.
Несмотря на достоинства изученных катализаторов - имеет место незначительное зауглероживание их поверхности.
Происхождение неактивного углерода может осуществляться либо через разложение метана:
CH4 = C + 2H2, ΔH°298 = 75 кДж/моль,
либо через диспропорционирование СО
2CO = С + CO2, ΔH°298 = -172 кДж/моль. (3)
Так как диспропорционирование СО является экзотермической реакцией, константа ее равновесия уменьшается с увеличением температуры, следовательно, в условиях высоких температур, в которых реализуется УКМ, одной из наиболее вероятных реакций образования углерода является крекинг метана (эндотермическая реакция). Углерод, образованный в ходе реакции УКМ наблюдается в нитевидной форме, а лимитирующей стадией для образования филаментарного углерода является
диффузия углерода через частицу металла. Движущей силой этого процесса является тепло, генерируемое экзотермическими поверхностными процессами (адсорбция СО и диспропорционирование) Таким образом, имеющиеся данные показывают, что образование углерода является зависимым от нескольких параметров, таких как: металл, структура металлического кристаллита, размеры ансамблей металла и др.