Исследование влияния параметров нанесения на формирование каталитически активного слоя из наночастиц оксида ванадия(V) на поверхности керамических мембран

Аннотация

Производство наночастиц и связанные с ними аддитивные процессы развиваются быстрыми темпами. Космическая промышленность, автомобилестроение, электроника, медицина и биотехнология --- лишь краткий перечень потребителей наночастиц и их субпродуктов. Разработана технология нанесения слоя катализатора на основе наночастиц пентаоксида ванадия на мембранные керамические элементы, которые потенциально могут быть использованы как в процессах разделения биомассы, технологических газов и жидкостей, так и в производстве крупнотоннажных неорганических продуктов (например, серной кислоты). Установлено, что основное влияние на свойства образующихся покрытий (отсутствие трещин и высокую адгезию к подложке) оказывает концентрация наночастиц в растворе (золе). Получены образцы керамических мембран с нанесенными слоями наночастиц ванадия и толщиной слоя до 1 мкм. На основании данных о пористости поверхности сделано предположение о сохранении фильтрующих свойств мембранных элементов с увеличением рейтинга фильтрации за счет поверхностного слоя наночастиц. Сравнение полученного образца мембраны с аналогом показало, что предложенная технология нанесения наночастиц позволяет получать слой эквивалентной толщины, который содержит в 20 раз больше активного компонента. Эта технология нанесения и мембранный элемент позволят дополнительно расширить возможности в области биотехнологии и химических производств

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 21-19-00367)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Яровая О.В., Аверина Ю.М., Магжанов Р.Х. и др. Исследование влияния параметров нанесения на формирование каталитически активного слоя из наночастиц оксида ванадия(V) на поверхности керамических мембран. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 1 (112), с. 118--132. EDN: HPAHEU

Литература

[1] Schimmoeller B., Schulz H., Pratsinis S.E., et al. Ceramic foams directly-coated with flame-made V₂O₅/TiO₂ for synthesis of phthalic anhydride. J. Catal., 2006, vol. 243, iss. 1, pp. 82--92.DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcat.2006.07.007

[2] Farzaneh F., Zamanifar E., Foruzin L.J., et al. Synthesis and characterization of V₂O₅/SiO₂ nanoparticles as efficient catalyst for aromatization 1,4-dihydropyridines. J.Sci.I.R.I., 2012, vol. 23, no. 4, pp. 313--318. DOI: https://doi.org/10.22059/JSCIENCES.2012.30551

[3] Lei Z., Long A., Wen C., et al. Experimental and kinetic study of low temperature selective catalytic reduction of NO with NH₃ over the V₂O₅/AC catalyst. Ind. Eng. Chem. Res., 2011, vol. 50, iss. 9, pp. 5360--5368. DOI: https://doi.org/10.1021/ie102110r

[4] Huang Z., Zhu Z., Liu Z. Combined effect of H₂O and SO₂ on V₂O₅/AC catalysts for NO reduction with ammonia at lower temperatures. Appl. Catal. B, 2002, vol. 39, iss. 4, pp. 361--368. DOI: https://doi.org/10.1016/S0926-3373(02)00122-4

[5] Boukhalfa S., Evanoff K., Yushin G. Atomic layer deposition of vanadium oxide on carbon nanotubes for high-power supercapacitor electrodes. Energy Environ. Sci., 2012, vol. 5, iss. 5, pp. 6872--6879. DOI: https://doi.org/10.1039/C2EE21110F

[6] Chen X., Pomerantseva E., Banerjee P., et al. Ozone-based atomic layer deposition of crystalline V₂O₅ films for high performance electrochemical energy storage. Chem. Mater., 2012, vol. 24, iss. 7, pp. 1255--1261. DOI: https://doi.org/10.1021/cm202901z

[7] Peng C., Jin M., Han D., et al. Structural engineering of V₂O₅ nanobelts for flexible supercapacitors. Mater. Lett., 2022, vol. 320, art. 132391. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132391

[8] Петров М.М., Пичугов Р.Д., Локтионов П.А. и др. Ячейка для тестирования мембранно-электродного блока ванадиевой проточной редокс-батареи. Доклады РАН. Химия, науки о материалах, 2020, т. 491, № 1, с. 39--44. DOI: https://doi.org/10.31857/S2686953520020077

[9] Loktionov P., Kartashova N., Konev D., et al. Fluoropolymer impregnated graphite foil as a bipolar plates of vanadium flow battery. Int. J. Energy Res., 2022, vol. 46, iss. 8, pp. 10123--10132. DOI: https://doi.org/10.1002/er.7088

[10] Loktionov P., Pichugov R., Konev D., et al. Promising material based on paraffin-impregnated graphite foil with increased electrochemical stability for bipolar plates of vanadium redox flow battery. Chemistry Select, 2021, vol. 6, iss. 46, pp. 13342--13349. DOI: https://doi.org/10.1002/slct.202103996

[11] Abdullah T.A., Juzsakova T., Rasheed R.T., et al. V₂O₅ nanoparticles for dyes removal from water. Chem. J. Mold., 2021, vol. 16, no. 2, pp. 102--111. DOI: http://dx.doi.org/10.19261/cjm.2021.911

[12] Alrammouz R., Lazerges M., Pironon J., et al. V₂O₅ gas sensors: a review. Sens. Actuator A Phys., 2021, vol. 332, part 2, art. 113179. DOI: https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.113179

[13] Hosseini-Ardali S., Fattahi M., Kazemeini M., et al. Preparation, physiochemical and kinetic investigations of V₂O₅/SiO₂ catalyst for the sulfuric acid production. Int. J. Eng., 2016, vol. 29, no. 11, pp. 1478--1488. DOI: https://doi.org/10.5829/idosi.ije.2016.29.11b.01

[14] Vo P.N.X., Le-Phuc N., Tran T.V., et al. Oxidative regeneration study of spent V₂O₅ catalyst from sulfuric acid manufacture. Reac. Kinet. Mech. Cat., 2018, vol. 125, no. 2, pp. 887--900. DOI: https://doi.org/10.1007/s11144-018-1442-9

[15] Микенин П.Е., Цырульников П.Г., Котолевич Ю.С. и др. Ванадийоксидные катализаторы на основе структурированных микроволокнистых носителей для селективного окисления сероводорода. Катализ в промышленности, 2015, № 1, с. 64--69. DOI: https://doi.org/10.18412/1816-0387-2015-1-64-69

[16] Мухленов И.П., ред. Технология катализаторов. Л., Химия, 1989.

[17] Лаврищева С.А., Нефедова Л.А., Кузнецова С.М. и др. Сернокислотный ванадиевый катализатор на основе природных силикатных носителей. Известия высших учебных заведений. Сер. Химия и химическая технология, 2005, т. 48, № 1, с. 105--109.

[18] Гришин А.Н., Лаврищева С.А., Нефедова Л.А. Формирование тонкослойного ванадийсодержащего покрытия блочных катализаторов очистки сбросных газов от диоксида серы. Известия СПбГТИ (ТУ), 2011, № 12, с. 21--23.

[19] Харламова Т.С., Уразов Х.Х., Водянкина О.В. Влияние модифицирования лантаном на состояние и структурные особенности ванадия в нанесенных V₂O₅/SiO₂-катализаторах. Кинетика и катализ, 2019, т. 60, № 4, c. 499--508. DOI: https://doi.org/10.1134/S0453881119040075

[20] Wojciechowska M., Nowinska K., Kania W., et al. Magnesium fluoride as a support for vanadium catalysts. React. Kinet. Catal. Lett., 1975, vol. 2, no. 3, pp. 229--236. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02068195

[21] Averina J.M., Subcheva E.N., Cherednichenko A.G., et al. Nanofiltration composite membranes using layered double hydroxides for water treatment. 20th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM, 2020, vol. 3.1, pp. 273--280. DOI: https://doi.org/10.5593/sgem2020/3.1/s12.036

[22] Averina Y.M., Subcheva E.N., Kurbatov A.Yu., et al. Study of the oxidation process of divalent iron in aqueous solutions during aeration through ceramic membranes modified by layered double hydroxides. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., 2021, vol. 815, no. 1, art. 012018. DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/815/1/012018

[23] Nyan H.L., Aung K.Z., Yarovaya O.V., et al. Catalytically active membranes for decomposition of organic compounds in aqueous solutions. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., 2021, vol. 815, no. 1, art. 012022. DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/815/1/012022

[24] Kuzin E., Averina Yu., Kurbatov A., et al. Titanium-containing coagulants in wastewater treatment processes in the alcohol industry. Processes, 2022, vol. 10, iss. 3, art. no. 440. DOI: https://doi.org/10.3390/pr10030440

[25] Брауэр Г., Глемзер О., Грубэ Г.Л. и др. Руководство по неорганическому синтезу. Т. 5. М., Мир, 1985.

[26] Аверина Ю.М., Курбатов А.Ю., Сахаров Д.А. и др. Разработка технологии получения нанофильтрационных керамических мембран. Стекло и керамика, 2020, № 3, с. 22--27.

[27] Аверина Ю.М., Аснис Н.А., Ваграмян Т.А. и др. Исследование скорости окисления ионов Fе²⁺ в воде при барботировании воздуха. Теоретические основы химической технологии, 2018, т. 52, № 1, с. 79--82. DOI: https://doi.org/10.7868/S0040357118010104