Библиографическое описание:Кинетическое моделирование процесса пероксидного окисления метана в присутствии Fe- и Cu-содержащих цеолитов со структурой ZSM-5 : научное издание / В. В. Болтенков [и др.]. - Текст : непосредственный // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. - 2025. - Т. 18, № 2. - С. 193-204. - Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (государственное задание Института катализа СО РАН, проект № FWUR-2024-0036). - ISSN 1998-2836. - ISSN 2313-6049.
Аннотация:В настоящей работе представлены результаты исследования процесса пероксидного окисления метана в мягких условиях с использованием цеолитных катализаторов ZSM-5, модифицированных ионами железа и меди, методом кинетического моделирования процесса. Основное внимание уделено изучению влияния структуры активных центров и механизма взаимодействия реагентов с поверхностью катализатора на эффективность и селективность процесса. Показано, что введение меди увеличивает общее количество активных центров и способствует повышению степени превращения метана, однако медь как центр активации по эффективности уступает железу, что обусловлено различиями в сорбционных свойствах и реакционной способности. Для описания поведения системы предложена уточнённая кинетическая схема, включающая девять стадий с участием основных и промежуточных продуктов реакции. Построена система дифференциальных уравнений, параметры которой получены на основе экспериментальных данных, а также теоретических и литературных оценок. Проведён анализ ключевых параметров, влияющих на кинетику процесса, включая скорость растворения метана, сорбционные характеристики катализатора и конкуренцию между молекулами реагентов за активные центры. Расчёты, выполненные с помощью программного обеспечения Mathcad, показали хорошее соответствие между моделью и экспериментальной кинетикой, что подтверждает корректность выбранного подхода. Разработанная модель может быть использована для прогнозирования поведения аналогичных систем и оптимизации параметров окисления на основе переходных металлов в цеолитной матрице.
This study presents an investigation into the peroxide oxidation of methane under mild conditions using ZSM-5 zeolite catalysts modified with iron and copper through kinetic modeling. The focus is on elucidating the effect of active site structure and the interaction mechanism of reactants with the catalyst surface on the efficiency and selectivity of the process. It is shown that copper introduction increases the total number of active sites and enhances methane conversion, although iron demonstrates higher intrinsic activity for methane activation due to differences in sorption and reactivity. An extended kinetic scheme comprising nine elementary steps involving major and intermediate reaction products was developed. A system of differential equations was proposed to describe the reaction kinetics, with parameters derived from experimental data, theoretical estimations, and literature values. The analysis revealed that methane solubility, catalyst surface sorption behavior, and competitive adsorption of reactants on active sites are critical factors influencing the reaction pathway. Simulations performed in Mathcad demonstrated good agreement between model predictions and experimental data, confirming the validity of the proposed kinetic approach. The proposed model provides a useful framework for predicting the behavior of similar catalytic systems and optimizing reaction parameters for transition metal-based zeolite oxidation processes.
