Курсовая с практикой на тему Спилловер водорода. Влияние на кинетику реакций гидрирования

Содержание:

Введение. 2

1. Процесс гидрирования водорода. 4

2. Спилловер водорода. 14

3. Теоретический анализ механизма выделения водорода
на углеродных нанотрубках  18

4. Хемосорбция и рекомбинация водорода в отсутствие
катализатора. 24

Заключение. 27

Список использованной литературы   29

Введение:

Возрастающие требования к надежности современных
хранилищ для эффективных энергоносителей обуславливают острую потребность в
материалах, способных обеспечить широкий интервал условий эксплуатаций за счет
наличия в подобных системах специфических химических и физических свойств. В
связи с истощением запасов энергетических ресурсов сегодня все чаще в качестве
идеального альтернативного энергоносителя рассматривается водород [1-3]. Однако
переход на перспективную водородную энергетику невозможен без разработки
надёжных методов получения, транспортировки и хранения водорода в больших
количествах. Причем основные проблемы в развитии водородной энергетики
сконцентрированы в области хранения и транспортировки данного вида
энергоносителя [4], в то время как получение водорода — это отчасти все-таки
решённая задача, так как на сегодняшний день уже предложено достаточное
количество эффективных, дешёвых, безопасных и экологически чистых методов.
Выделяются две основные группы методов хранения водорода: физические и
химические [5]. В основе первой лежат физические процессы, в основном
компрессирование или сжижение. Вторую составляют методы, обеспечивающие
хранение водорода благодаря физическим или химическим процессам его
взаимодействия с некоторыми материалами. Именно последний способ считается
наиболее перспективным.

Одним из возможных перспективных способов повышения
адсорбционной ёмкости по водороду является использование спилловера водорода.
Спилловер (англ. spillover — перетекание), перенос частиц, адсорбированных на
твердом теле, на находящееся с ним в контакте другое твердое тело (как правило,
менее активное по отношению к адсорбции). Происходит спилловер в результате
поверхностной диффузии атомов, образовавшихся в результате диссоциативной
хемосорбции. Термин «спилловер» предложен в 1969 г.М. Боудартом (М. Boudart)
[6]. Наиболее известен спилловер водорода в некоторых процессах каталитического
гидрирования на полифункционых катализаторах. В этом случае катализатор обычно
представляет собой смесь какого-либо металла платиновой группы (или Ni) с
различными оксидами. Получающийся в результате диссоциативной хемосорбции на
металле атомарный водород переносится на поверхность оксида, где вступает в
реакцию с адсорбированными непредельными соединениями. В научной литературе
представлено несколько обзоров [7-12] и огромное количество публикаций,
касающихся различных аспектов этого явления, и особенно применения его при
каталитических процессах [13-17], хранения водорода [18-21] и синтеза меченных
тритием биологически активных соединений [22].

Заключение:

В некоторых промышленных процессах протекание молекул
водорода по твердым поверхностям, содержащим каталитические металлы, уменьшает
количество органических молекул путем гидрирования. На основе механизма,
предложенного в 1960-х годах, химики полагают, что такие реакции могут
протекать за счет движения атомов водорода в процессе, называемом “перелив
водорода”. Но исследователи не смогли подтвердить этот механизм, потому что
модели реакции трудно создавать и анализировать.

С помощью новой, реалистичной модельной системы
исследователи окончательно показали, что утечка водорода происходит на двух
ключевых типах каталитических поверхностей, называемых восстанавливаемыми и
неприводимыми носителями, но в совершенно разной степени. Эта информация может
помочь химикам разработать более совершенные катализаторы, а также улучшить
процессы гидрирования и хранения водорода для топливных элементов. Этот подход
также может помочь ученым определить, происходит ли утечка водорода в более широком
смысле в важных исследовательских и промышленных реакциях.

При переливе водорода каталитические наночастицы
платины на твердом носителе диссоциируют Н2 на атомы Н. Атомы
мигрируют или перетекают на подложку, где они могут восстанавливать близлежащую
подложку, такую как оксид железа. Химики ранее показали, что этот процесс легко
протекает на восстанавливаемых поверхностях, таких как оксид титана, но им было
трудно наблюдать его на неприводимых носителях, таких как оксид алюминия.

Ясин Экинчи из Института Пола Шеррера, Йерун А. ван
Боховен из Института Пола Шеррера и ETH Цюрих и его коллеги использовали
электронно-лучевую литографию для точного осаждения наночастиц платины и
смешанного оксида железа, разделенных различными расстояниями, наносителях TiO2
иAl2o3. Затем они использовали спектромикроскопию рентгеновского поглощения и
теорию функционала плотности для анализа степени, в которой атомы H
восстанавливают оксид железа.

Исследователи обнаружили, что побочные эффекты
примерно на десять порядков эффективнее на TiO2, чем на Al2O3.
А на неприводимой подложке перелив ограничивается чрезвычайно короткими
расстояниями от платины до оксида железа из-за конкурирующего процесса
десорбции водорода. Полученные данные свидетельствуют о том, что потенциал
гидрогенизации на основе побочных эффектов сильно ограничен на неприводимых
носителях.

Фрагмент текста работы:

. Процесс гидрирования водорода Гидрирование, химическая реакция, включающая
присоединение водорода к органическому веществу. Только немногие из элементов
обладают свойством непосредственно реагировать с газообразным водородом.
Подавляющее же большинство сложных химических тел, из которых наибольший
интерес с точки зрения гидрирования представляют органические соединения, могут
связывать водород только в присутствии катализаторов. Т. о., под гидрированием
чаще всего понимают каталитическое связывание водорода органическими
соединениями. Вместе с гидрированием целесообразно рассматривать также и
каталитическое восстановление (дезоксидацию), так как оба процесса в одинаковой
степени связаны с явлениями активирования и практически достигаются
тождественными методами.

Явления гидрирования относятся к области
гетерогенного катализа, и решение вопроса о механизме гидрирования неразрывно
связано с выяснением общих каталитических проблем. В истории катализа крупную
роль сыграла т. н. теория промежуточных соединений. Применительно к
гидрированию эта теория наиболее полно развита французским химиком Сабатье. Он
считает, что на поверхности катализирующего металла при взаимодействии с
водородом образуются малоустойчивые, но поддающиеся стехиометрическому учету
соединения, которые способны отдавать свой водород ненасыщенным или содержащим
кислород веществам в активной (по всей вероятности, атомной) форме. Таким
образом, каталитическая активность, по Сабатье, зависит от двух важных
моментов: от способности данного металла образовывать с водородом гидриды и от
степени устойчивости последних, т. е. от большей или меньшей степени легкости
отдачи ими атомного водорода. Так, например, гидрирование этилена может быть
выражено уравнениями: