Термохимический синтез карбида молибдена на основе системы (NH4)6Mo7O24–NH4NO3–C6H12N4

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Приведены сведения по термохимическому синтезу карбида молибдена на основе системы (NH4)6Mo7O24–NH4NO3–C6H12N4 при различных соотношениях компонентов. Проведены термодинамические расчеты и установлены область составов 10–20 молей нитрата аммония на 1 моль молибдата аммония и соотношения восстановителя и окислителя (φ), равные 1.5–4.0, вероятного протекания экзотермических процессов с формированием карбида молибдена. При проведении синтеза установлено, что взаимодействие в системе молибдат аммония–нитрат аммония–уротропин включает несколько стадий, при этом основной экзотермический процесс наблюдается по достижении температуры 120–180°С. Карбид молибдена образуется при φ ≥ 6.5 после термической обработки при 1000°С в инертной атмосфере. При синтезе формируется мелкокристаллическая структура из частиц размерами около 100–200 нм. Полученные материалы на основе карбида молибдена проявляют каталитическую активность в процессах конверсии продуктов неполного сгорания биотоплива (пиролизные смолы). При добавлении полученных материалов к пиролизной смоле в пропорции 1/10 скорость ее конверсии увеличивается (параметр скорости повышается в 2–10 раз) при снижении средней температуры процесса на 50–100°С, а энергия активации процесса снижается от 82 до 52–65 кДж/моль.

Full Text

Restricted Access

About the authors

К. Б. Подболотов

Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси

Author for correspondence.
Email: k.podbolotov@yahoo.com
Belarus, ул. Академика Купревича, 10, Минск, 220084

Ю. А. Егорова

Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси

Email: k.podbolotov@yahoo.com
Belarus, ул. Академика Купревича, 10, Минск, 220084

Л. В. Доготарь

Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси

Email: k.podbolotov@yahoo.com
Belarus, ул. Академика Купревича, 10, Минск, 220084

С. В. Василевич

Белорусская государственная академия авиации

Email: k.podbolotov@yahoo.com
Belarus, ул. Уборевича, 77, Минск, 220096

А. Н. Асадчий

Институт энергетики Национальной академии наук Беларуси

Email: k.podbolotov@yahoo.com
Belarus, ул. Академическая, 15, корп. 2, Минск, 220072

References

  1. Oyama S.T. The Chemistry of Transition Metal Carbides and Nitrides. N. Y.: Chapman & Hall, 1996. 536 p.
  2. Pierson H.O. Handbook of Refractory Carbides & Nitrides: Properties, Characteristics, Processing and Applications. N. J.: Noyes, 1996. 362 p.
  3. Schaidle J.A., Thompson L.T. Fischer–Tropsch Synthesis over Early Transition Metal Carbides and Nitrides: CO Activation and Chain Growth // J. Catal. 2015. V. 329. P. 325–334. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2015.05.020
  4. Lin L., Zhou W., Gao R., Yao S., Zhang X., Xu W., Zheng S., Jiang Z., Yu Q., Li Y.W., Shi C., Wen X.D., Ma D. Low-Temperature Hydrogen Production from Water and Methanol Using Pt/α-MoC Catalysts // Nature. 2017. V. 544. № 7648. P. 80–83. https://doi.org/10.1038/nature21672
  5. Barthos R., Solymosi F. Hydrogen Production in the Decomposition and Steam Reforming of Methanol on Mo 2 C/Carbon Catalysts // J. Catal. 2007. V. 249. № 2. P. 289-299. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2007.05.003
  6. Solymosi F., Németh R., Óvári L., Egri L. Reactions of Propane on Supported Mo 2 C Catalysts // J. Catal. 2000. V. 195. № 2. P. 316–325. https://doi.org/10.1006/jcat.2000.3000
  7. Li Z., Chen C., Zhan E., Ta N., Li Y., Shen W. Crystal-Phase Control of Molybdenum Carbide Nanobelts for Dehydrogenation of Benzyl Alcohol // Chem. Commun. (Camb). 2014. V. 50. № 34. P. 4469–4471. https://doi.org/10.1039/c4cc00242c
  8. Grilc M., Veryasov G., Likozar B., Jesih A., Levec J. Hydrodeoxygenation of Solvolysed Lignocellulosic Biomass by Unsupported MoS 2 , MoO 2 , Mo 2 C and WS 2 Catalysts // Appl. Catal., B: Environ. 2015. V. 163. P. 467–477. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2014.08.032
  9. Adamski G., Dyrek K., Kotarba A., Sojka Z., Sayag C., Djéga-Mariadassou G. Kinetic Model of Indole HDN over Molybdenum Carbide: Influence of Potassium on Early and Late Denitrogenation Pathways // Catal. Today. 2004. V. 90. № 1–2. P. 115–119. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2004.04.015
  10. Liu Y., Yu G., Li G.D., Sun Y., Asefa T., Chen W., Zou X. Coupling Mo2C with Nitrogen-Rich Nanocarbon Leads to Efficient Hydrogen-Evolution Electrocatalytic Sites // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2015. V. 54. № 37. P. 10752–10757. https://doi.org/10.1002/anie.201504376
  11. Yan H., Xie Y., Jiao Y., Wu A., Tian C., Zhang X., Wang L., Fu H. Holey Reduced Graphene Oxide Coupled with an Mo2N-Mo2C Heterojunction for Efficient Hydrogen Evolution // Adv. Mater. 2018. V. 30. № 2. https://doi.org/10.1002/adma.201704156
  12. Kwak W.J., Lau K.C., Shin C.D., Amine K., Curtiss L.A., Sun Y.K. A Mo 2 C/Carbon Nanotube Composite Cathode for Lithium-Oxygen Batteries with High Energy Efficiency and Long Cycle Life // ACS Nano. 2015. V. 9. № 4. P. 4129–4137. https://doi.org/10.1021/acsnano.5b00267
  13. Zhang S., Tong L., Hu Y., Kang L., Zhang J. Diameter-Specific Growth of Semiconducting SWNT Arrays Using Uniform Mo 2 C Solid Catalyst // J. Am. Chem. Soc. 2015. V. 137. №. 28. P. 8904–8907. https://doi.org/10.1021/jacs.5b05384
  14. Wang J., Ji S., Yang J., Zhu Q., Li S. Mo 2 C and Mo 2 C/ Al 2 O 3 Catalysts for NO Direct Decomposition // Catal. Commun. 2005. V. 6. № 6. P. 389-393. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2005.03.003
  15. Tackett B.M., Sheng W., Chen J.G. Opportunities and Challenges in Utilizing Metal-Modified Transition Metal Carbides as Low-Cost Electrocatalysts // Joule. 2017. V. 1. № 2. P. 253–263. https://doi.org/10.1016/j.joule.2017.07.002
  16. Liu X., Kunkel C., Ramírez de la Piscina P., Homs N., Viñes F., Illas F. Effective and Highly Selective CO Generation from CO 2 Using a Polycrystalline α- Mo 2 C Catalyst // ACS Catal. 2017. V. 7. № 7. P. 4323–4335. https://doi.org/10.1021/acscatal.7b00735
  17. Alexander A.M., Hargreaves J.S. Alternative Catalytic Materials: Carbides, Nitrides, Phosphides and Amorphous Boron Alloys // Chem. Soc. Rev. 2010. V. 39. № 11. P. 4388–4401. https://doi.org/10.1039/b916787k
  18. Calais J.-L. Band Structure of Transition Metal Compounds // Adv. Phys. 2006. V. 26. № 6. P. 847–885. https://doi.org/10.1080/00018737700101473
  19. Kirakosyan H.V., Nazaretyan K.T., Mnatsakanyan R.A., Aydinyan S.V., Kharatyan S.L. Solution Combustion Synthesis of Nanostructured Molybdenum Carbide // J. Nanopart. Res. 2018. V. 20. № 8. https://doi.org/10.1007/s11051-018-4312-5
  20. Lee J. Molybdenum Carbide Catalysts I. Synthesis of Unsupported Powders // J. Catal. 1987. V. 106. № 1. P. 125–133. https://doi.org/10.1016/0021-9517(87)90218-1
  21. Ardakani S.J., Liu X., Smith K.J. Hydrogenation and Ring Opening of Naphthalene on Bulk and Supported Mo2C Catalysts // Appl. Catal., A: General. 2007. V. 324. P. 9–19. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2007.02.048
  22. Liang C., Ying P., Li C. Nanostructured β- Mo 2 C Prepared by Carbothermal Hydrogen Reduction on Ultrahigh Surface Area Carbon Material // Chem. Mater. 2002. V. 14. № 7. P. 3148–3151. https://doi.org/10.1021/cm020202p
  23. Han J., Duan J., Chen P., Lou H., Zheng X. Molybdenum Carbide‐Catalyzed Conversion of Renewable Oils into Diesel‐Like Hydrocarbons // Adv. Synth. Catal. 2011. V. 353. № 14–15. P. 2577–2583. https://doi.org/10.1002/adsc.201100217
  24. Chen H.Y., Chen L., Lu Y., Hong Q., Chua H.C., Tang S.B., Lin J. Synthesis, Characterization and Application of Nano-Structured Mo 2 C Thin Films // Catal. Today. 2004. V. 96. № 3. P. 161–164. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2004.06.116
  25. Wolden C.A., Pickerell A., Gawai T., Parks S., Hensley J., Way J.D. Synthesis of β- Mo 2 C Thin Films // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2011. V. 3. № 2. P. 517–521. https://doi.org/10.1021/am101095h
  26. Xu C., Wang L., Liu Z., Chen L., Guo J., Kang N., Ma X.L., Cheng H.M., Ren W. Large-Area High-Quality 2D Ultrathin Mo 2 C Superconducting Crystals // Nat. Mater. 2015. V. 14. № 11. P. 1135–1141. https://doi.org/10.1038/nmat4374
  27. Patil K.C., Hegde M.S., Rattan T., Aruna S.T. Chemistry of Nanocrystalline Oxide Materials – Combustion Synthesis, Properties and Applications. Singapore: World Scientific, 2008. 364 p.
  28. Toniolo J., Takimi A.S., Andrade M.J., Bonadiman R., Bergmann C.P. Synthesis by the Solution Combustion Process and Magnetic Properties of Iron Oxide ( Fe 3 O 4 and α- Fe 2 O 3 ) Particles // J. Mater. Sci. 2007. V. 42. № 13. P. 4785–4791. https://doi.org/10.1007/s10853-006-0763-7
  29. Dinka P.,Mukasyan A.S. In Situ Preparation of Oxide-Based Supported Catalysts by Solution Combustion Synthesis // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. № 46. P. 21627–21633. https://doi.org/10.1021/jp054486n
  30. Saha S., Ghanawat S.J., Purohit R.D. Solution Combustion Synthesis of Nano Particle La 0.9 Sr 0.1 MnO 3 Powder by a Unique Oxidant-Fuel Combination and Its Characterization // J. Mater. Sci. 2006. V. 41. № 7. P. 1939–1943.
  31. Manukyan K.V., Cross A., Roslyakov S., Rouvimov S., Rogachev A.S., Wolf E.E., Mukasyan A.S. Solution Combustion Synthesis of Nano-Crystalline Metallic Materials: Mechanistic Studies // J. Phys. Chem. C. 2013. V. 117. № 46. P. 24417–24427. https://doi.org/10.1021/jp408260m
  32. Erri P., Nader J., Varma A. Controlling Combustion Wave Propagation for Transition Metal/Alloy/Cermet Foam Synthesis // Adv. Mater. 2008. V. 20. № 7. P. 1243–1245. https://doi.org/10.1002/adma.200701365
  33. Kumar A., Wolf E.E.,Mukasyan A.S. Solution Combustion Synthesis of Metal Nanopowders: Copper and Copper/Nickel Alloys // AIChE J. 2011. V. 57. № 12. P. 3473–3479. https://doi.org/10.1002/aic.12537
  34. Самсонов Г.В. Нитриды. Киев: Наук. думка, 1969. 380 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Scheme of the installation for the synthesis of materials.

Download (36KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Data of thermodynamic calculations for the ammonium molybdate–ammonium nitrate–urotropine systems.

Download (42KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Temperature-time profiles of reactions at the number of moles of ammonium nitrate per 1 mole of ammonium molybdate: 10 (1), 30 (2), 50 (3).

Download (15KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Data of synchronous thermal analysis.

Download (16KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Diffraction patterns of samples obtained with the following number of moles of ammonium nitrate per 1 mole of ammonium molybdate: 10 (1), 30 (2), 50 (3) and φ = 2.5.

Download (56KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Diffraction patterns of samples obtained at different φ.

Download (57KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Micrographs of a sample obtained as a result of an exothermic reaction (a) and after heat treatment (b).

Download (54KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Catalytic activity of materials (degree of conversion) at 300 (a), 350 (b), 400°C (c) and activation energy of the process (d) (curve numbers correspond to sample numbers in Table 2).

Download (59KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences