
Тип работы:	Предмет:	Язык работы:

ИЗОТОПНЫЙ ОБМЕН ВОДОРОДА МЕЖДУ МЕТАНОМ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ И ОКСИДНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ НА ОСНОВЕ СКАНДАТА ЛАНТАНА

Работа №	102684
Тип работы	Диссертации (РГБ)
Предмет	химия
Объем работы	200
Год сдачи	2022
Стоимость	4310 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено	89

Не подходит работа?

Узнай цену на написание

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 15
1.1 Кинетика изотопного обмена двухатомных молекул с твердым телом 15
1.1.1 Основное кинетическое уравнение изотопного обмена 15
1.1.2 Теория трёх типов обмена 18
1.2 Кинетика изотопного межфазного обмена с участием многоатомных молекул 22
1.3 Обмен изотопов водорода между метаном и конденсированной фазой 37
1.3.1 Изотопный обмен водорода с металлическими катализаторами 37
1.3.2 Изотопный обмен водорода с оксидными катализаторами 44
1.3.3 Изотопный обмен водорода с нанесенными катализаторами метал/оксид 48
1.3.4 Изотопный обмен водорода с другими типами катализаторов 52
1.4 Протонпроводящие оксиды Еа^ЬцЬсОз-у/г и материалы на их основе 59
1.5 Постановка цели и задач исследования 66
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 68
2.1 Синтез образцов 68
2.2 Рентгенофазовый анализ 68
2.3 Измерение удельной поверхности образцов 69
2.4 Растровая электронная микроскопия 69
2.5 Рамановская спектроскопия 69
2.6 1Н ядерный магнитный резонанс 69
2.7 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия 70
2.8 Н/Э изотопный обмен между молекулярным водородом и оксидом 70
2.8.1 Общая характеристика метода 70
2.8.2 Описание экспериментальной установки 72
2.8.3 Обработка экспериментальных данных 74
2.9 Н/Э изотопный обмен между метаном и протонпроводящим оксидом 75
2.9.2 Методика проведения эксперимента 76
2.9.3 Масс-спектрометрический анализ изотопного состава газовой фазы 78
2.9.4 Способ расчета концентраций компонентов газовой фазы на основе нейросетевого
алгоритма 81
2.9.5 Эксперимент с пустым реактором 91
2.9.6 Обработка экспериментальных данных 92
2.10 Метод функционала плотности для изучения адсорбционных форм метана 97
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 98
3.1 Теоретические основы изотопного H/D обмена между метаном и твердым телом
3.1.1 Теория пяти типов обмена 98
3.1.2 Примеры использования теории пяти типов обмена 108
3.1.3 Изучение механизма обмена водорода между метаном и твердым телом с помощью теории пяти типов обмена 112
3.1.4 Выводы по разделу 3.1 126
3.2 Кинетика взаимодействия метана с протонпроводящими оксидами La1-ySryScO3-.y/2
3.2.1 Характеристика образцов 128
3.2.2 H/D обмен в системе «метан^а1-^г^сОз-у/2» 129
3.2.3 Водородсодержащие адсорбционные формы на поверхности La1-ySryScO3-y/2 134
3.2.4 Механизм обмена водорода в системе «метан^а1-^г^сО3-у/2» 143
3.2.5 Выводы по разделу 3.2 151
3.3 Кинетика взаимодействия молекулярного водорода с керметами Ni-La0.90Sr0.10ScO2.95 и Ni-Zr0.82Y0.1sO1.91 153
3.3.1 Характеристика образцов 153
3.3.2 H/D обмен в системе «молекулярный водород-кермет» 154
3.3.3 Механизм обмена водорода в системе «молекулярный водород-кермет» 157
3.3.4 Выводы по разделу 3.3 163
3.4 Кинетика взаимодействия метана с керметом Ni-La0.90Sr0.10ScO2.95 165
3.4.1 Межфазный обмен водорода в системе «метан-водород-кермет» 165
3.4.2 H/D обмен между молекулярным водородом и керметом Ni-La0.90Sr0.10ScO2.95 170
3.4.3 H/D обмен между метаном и керметом Ni-La0.90Sr0.10ScO2.95 172
3.4.4 Механизм обмена водорода в системе «метан-водород-кермет Ni-La0.90Sr0.10ScO2.95» 176
3.4.5 Рекомбинация адсорбционных форм метана в неравновесных условиях 179
3.4.5 Выводы по разделу 3.4 182
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 184
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

Актуальность и степень разработанности темы исследования. Реакции каталитического риформинга легких углеводородов находят всё большее применение в водородной энергетике [1-33]. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) - устройства, преобразующие энергию окислительно-восстановительной реакции между кислородом и водородсодержащим топливом (метан, водород, синтез газ, аммиак и т.д.), являются наиболее перспективным видом устройств для реализации реакций риформинга углеводородов. В последнее время широкое распространение получают протонно-керамические топливные элементы (ПКТЭ) и электролизеры (ПКЭ) [23-33] - устройства, состоящие из протонпроводящих материалов [34-36] и способные утилизировать углеводородное топливо без предварительного риформинга в интервале температур 400-600 °С.
Среди множества протонпроводящих материалов, используемых в конструкции ПКТЭ [37-56], стронцийзамещенные скандаты лантана La1-ySr.ySeO3-.yz2 и композиты на их основе обладают наиболее высокой устойчивостью в сухих и влажных восстановительных средах [49-56], а также приемлемыми значениями проводимости [44-48]. В работах [49-50, 52-56] была детально изучена кинетика взаимодействия молекулярного водорода, кислорода и воды с протонпроводящими оксидами на основе La1-.ySrySeO3-.yz2. Показано, что скорость определяющей стадией обмена молекулярного водорода является диссоциативная адсорбция, в случае молекулярного кислорода стадии диссоциативной адсорбции и инкорпорирования кислорода являются конкурирующими. Установлена ключевая роль кислородного дефицита в процессе инкорпорирования водорода и кислорода из газовой фазы в решетку данных оксидов. Поскольку в качестве топлива ПКТЭ может быть использован не только молекулярный водород, но и углеводороды, практически важно исследовать кинетику взаимодействия связанного водорода с оксидами на основе скандата лантана. Решить эту задачу можно с использованием метода изотопного обмена.
Метод изотопного обмена позволяет однозначно судить о разрыве связей в молекулах и образовании устойчивых частиц в адсорбционном слое исследуемого материала [51-53, 57-103]. Первые попытки разработки теории для описания обмена межу метаном и твердым телом были сделаны в работах Кембола [72, 73], Болдера, Даллинга и Клостерзиля [78], а также Шестова [83]. Тем не мене, в основе существующих в литературе подходов для изучения кинетики обмена, включая подход Шестова-Музыкантова [83], заложены физико-химические модели обмена водорода между молекулами, содержащими четыре атома одного сорта и конденсированной фазой. Реализованные в литературе методики исследования кинетики перераспределения изотопов водорода между метаном и твердым телом в основном направлены на изучение материалов, не обладающих протонной проводимостью. Применение метода изотопного обмена для исследования кинетики взаимодействия метана с протонпроводящими оксидами и материалами на их основе позволит на основе полученных результатов разработать новые функциональные материалы для ПКТЭ и ПКЭ.
Проведенные в рамках настоящей работы исследования отвечают пункту 20б Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 16-13-00053) и гранта Президента РФ (№ МД-
6758.2018.3).
Цель работы. Выявление механизма взаимодействия газообразного метана с оксидными электрохимическими материалами на основе замещенного стронцием скандата лантана.
Объект и предмет исследования. Объектами исследования в настоящей работе были порошкообразные протонпроводящие оксиды Еа1-у8гу8еОз-у2 (далее Ь88) с у = 0.02, 0.05, 0.10 (Ь882, Ь885, Ь8810) и керметы Ni-La0.90Sr0.10SeO2.95 и Ni-Y0.i8Zr0.82O1.92 (далее Ni-LSS10 и Ni-YSZ). Предметом исследования была кинетика обмена водорода в системах «метан-оксид», «метан-водород-кермет» и «молекулярный водород-кермет».
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Впервые разработана теория пяти типов обмена для описания перераспределения изотопов водорода между конденсированной фазой и молекулами, содержащими четыре атома одного сорта. Теория была апробирована на примере метана.
2. Разработана методика эксперимента по изотопному обмену водорода в метансодержащих атмосферах для оксидных материалов, обладающих протонной проводимостью.
3. Предложена физико-химическая модель диссоциативной адсорбции метана с участием водородсодержащих форм с различной энергией связи с поверхностью. Рассмотрены частные случаи данной модели, включающие двухступенчатую модель диссоциативной адсорбции метана и модель диссоциативной адсорбции метана с параллельными стадиями диссоциации.
4. Разработан алгоритм выбора физико-химической модели для описания кинетики обмена водорода между метаном и конденсированной фазой.
Методом изотопного обмена водорода в системе «метан-оксид» исследована кинетика перераспределения изотопов водорода между метаном в газовой фазе и протонпроводящими перовскитами 1882, 1885, 18810 в интервале температур 400-700 °С при общем давлении 10 мбар смеси метан + водород, содержащей 95 мол.% метана.
6. Методами ядерного магнитного резонанса (1Н ЯМР), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), рамановской спектроскопии и функционала плотности (ТФП) изучены состав и строение водородсодержащих форм на поверхности оксидов Ь88.
7. Методом изотопного обмена водорода в системе «молекулярный водород-кермет» исследована кинетика перераспределения изотопов водорода между молекулярным водородом в газовой фазе и керметами N¡-1.8810, N¡-¥87 в интервале температур 400-800 °С при общем давлении молекулярного водорода 2 мбар.
8. Методом изотопного обмена водорода в системе «метан-водород-кермет» исследована кинетика перераспределения изотопов водорода между метаном в газовой фазе и керметом N¡-18810 в интервале температур 300-450 °С при общем давлении смеси метан + водород 2 мбар, содержащей 5, 10, 20 и 95 мол.% метана.
9. Получены зависимости общей скорости обмена водорода, скорости межфазного обмена водорода, скорости диссоциативной адсорбции метана и инкорпорирования водорода из адсорбционных форм метана в оксид в зависимости от содержания стронция в Ь88 и температуры в системе «метан-оксид» для 188; температурные зависимости общей скорости обмена водорода в системе «молекулярный водород-кермет» для керметов N¡-¥87 и N¡-18810; зависимости скорости межфазного обмена водорода от температуры и парциального давления метана и молекулярного водорода в системе «метан-водород-кермет» для N¡-18810.
10. Выявлены скоростьопределяющие стадии обмена водорода между метаном и оксидами 188 в системе «метан-оксид», между молекулярным водородом в газовой фазе и керметами N¡-18810, N¡-¥87 в системе «молекулярный водород-кермет», а также между метаном, молекулярным водородом и N¡-18810 в системе «метан-водород-кермет».
На защиту выносятся следующие положения:
1. Теория пяти типов обмена для описания перераспределения изотопов между конденсированной фазой и молекулами газовой фазы, содержащими четыре атома одного сорта.
2. Методика эксперимента по изотопному обмену водорода между метаном в газовой фазе и материалами на основе протонпроводящих оксидов в смесях метан + водород с различным содержанием метана, в том числе способ расчета концентрации компонентов газовой фазы, включая изотопологи метана, из данных масс-спектрометрии на основе нейросетевого алгоритма.
3. Зависимости мольных долей изотопологов метана и молекулярного водорода в газовой фазе от времени в системах «метан-оксид» на образцах 1882, 1885, 18810 в интервале температур 400-700 °С при 10 мбар смеси метан + водород, содержащей 95 мол.% метана; «молекулярный водород-кермет» на образцах N¡-1.8810 и N¡-¥87 в интервале температур 400-800 °С при 2 мбар водорода; «метан-водород-кермет» на образцах N¡-18810 в температурном диапазоне 300-450 °С при 2 мбар смеси метан + водород, содержащей 5, 10 и 20 мол.% метана.
4. Вклады пяти типов обмена водорода для образцов 1882, 1885, 18810, N¡-18810 и вклады трёх типов обмена для образцов N¡-18810 и N¡-¥87, полученные по результатам обработки временных зависимостей концентраций изотопологов метана и водорода, соответственно, для систем «метан-оксид», «молекулярный водород-кермет» и «метан-водород-кермет».
5. Физико-химические модели диссоциативной адсорбции метана и изотопно-кинетические уравнения для описания кинетики изотопного обмена водорода между метаном в газовой фазе и Ь88, между молекулярным водородом в газовой фазе и керметами N¡-18810, N1- ¥87, между метаном в газовой фазе и N¡-18810.
6. Скоростьопределяющие стадии обмена водорода в системах «метан-оксид», «молекулярный водород-кермет» и «метан-водород-кермет».
Научная новизна. Разработана новая теория пяти типов обмена для описания перераспределения изотопов между конденсированной фазой и молекулами в газовой фазе, содержащими четыре атома одного сорта. Показана кинетическая различимость пяти типов обмена. Продемонстрировано, что любая физико-химическая модель для описания обмена водорода между метаном и твердым телом может быть выражена через скорости пяти типов обмена водорода. Предложена физико-химическая модель диссоциативной адсорбции метана с участием водородсодержащих форм с различной энергией связи и рассмотрены частные случаи данной модели, включающие двухступенчатую модель диссоциативной адсорбции метана и модель диссоциативной адсорбции метана с параллельными стадиями диссоциации. Разработаны математические критерии (с-параметры) и алгоритм выбора физико-химической модели обмена на основе соотношения скоростей пяти типов обмена водорода. Впервые показана возможность применения метода изотопного обмена водорода для анализа кинетики взаимодействия метана газовой фазы с материалами на основе протонпроводящих оксидов.
Показано, что разработанная теория может быть использована не только для описания экспериментальных данных, полученных в рамках настоящей диссертационной работы, но и для описания взятых из литературных источников данных в системах «метан-твердое тело» на примерах у-ЛЬОз и гидратированного Л^К'С, «метан-водород-металл» на примере металлического N1, «метан-жидкость» на примере суперкислоты Н8ОэР:8Ьр5, «этилен-металл» на примере N1, «метанол-водород-металл» на примере Рй.
Разработана методика проведения экспериментов по изотопному обмену водорода в метансодержащих атмосферах с материалами на основе протонпроводящих оксидов. Разработан способ определения концентрации СН4, СНзО, СН2О2, СНОз, СО4, СО, СО2, Н2, О2, НО, Н2О, N2 в газовой фазе методом масс-спектрометрии, на основе нейронной сети в условиях перекрывания масс-спектров индивидуальных компонентов.
Показана возможность инкорпорирования водорода из метана газовой фазы в перовскиты с протонной проводимостью на основе Ь88 методами 1Н ЯМР и изотопного обмена водорода.
Методом изотопного обмена водорода в системе «молекулярный водород-кермет» показано, что стадия переноса адатомов водорода к трёхфазной границе (спилловер эффект) является скорость определяющей для керметов i-I.SSI0 и i-YSZ. Показано, что скорость поверхностной диффузии к трехфазной границе (ТФГ) на фазе LSS10 кермета Ni-LSS10 существенно выше, чем на фазе YSZ в кермете Ni-YSZ в интервале температуре 400-600 °С при РН2 = 2 мбар.
Методами изотопного обмена водорода в системе «метан-оксид», 1Н ЯМР, рамановской спектроскопии, РФЭС и ТФП установлено наличие водородсодержащих адсорбционных форм с различной атомностью, что объясняется ступенчатой диссоциацией метана на поверхности LSS. Это приводит к выделению аморфного углерода при температурах > 800 °С.
Предложена физико-химическая модель для описания кинетики обмена водорода в системе «метан-водород-кермет». Установлено, что скоростьопределяющей стадией обмена водорода между метаном в газовой фазе и керметом Ni-LSS10 является обмен между водородсодержащими адсорбционными формами с различной энергией связи с поверхностью. Показано, что водородсодержащие формы на поверхности N1 в Ni-LSS10 участвуют в стадии быстрого переноса водорода к ТФГ (спилловер эффект) и последующем инкорпорировании в структуру LSS10.
Методом изотопного обмена водорода в системе «метан-кермет» впервые показана возможность образования этана, этилена и ацетилена за счет димеризации метана на поверхности кермета Ni-LSS10.
Теоретическая значимость. Теория пяти типов обмена может быть использована для описания кинетики перераспределения изотопов между конденсированной фазой и любыми молекулами газовой фазы, содержащими четыре атома одного сорта (СЭ4, С2Э4, 13С4Н10,
СЭзСООП, СЭзОП, СЭзСЭ = О, 13С4Н8 и т.п.). Предложенные модели могут быть использованы в гетерогенном катализе для обработки экспериментальных данных по изотопному обмену водорода между метаном и твердым телом в системах «метан-твердое тело» и «метан-водород-твердое тело». Это позволяет исследовать механизм каталитической конверсии метана в пространстве топливного электрода электрохимических устройств (ПКТЭ, ПКЭ).
Практическая значимость. Разработанный алгоритм выбора физико-химической модели может быть использован для описания кинетики обмена водорода между метаном и конденсированной фазой в рамках теории пяти типов обмена.
Методика изотопного обмена водорода в метансодержащих атмосферах позволяет исследовать различные электрохимические материалы, содержащие инкорпорированный водород, а также определять элементарные стадии обмена водорода и основные кинетические параметры, что имеет значение для материаловедения при создании электрохимических устройств, таких, как протонно-керамические топливные элементы, электролизеры и мембранные реакторы.
Предложенный способ на основе нейросетевого алгоритма может быть использован для анализа состава газовой фазы в условиях перекрывания масс-спектров индивидуальных компонентов газовой фазы. Данный способ позволяет изучать кинетику протекания химических реакций методом масс-спектрометрии в условиях одновременного присутствия в газовой фазе нескольких компонентов и их изотопологов.
Результаты исследования кинетики перераспределения изотопов в системе «метан-оксид» показывают, что протонпроводящие оксиды на основе Ь88, являются перспективными компонентами электродных материалов ПКТЭ и ПКЭ для конверсии метана и получения водорода высокой чистоты. Сведения о кинетике изотопного обмена водорода в системах «метан-оксид», «молекулярный водород-кермет» и «метан-водород-кермет» могут служить основой для разработки новых функциональных материалов на основе скандата лантана для использования в протоннокерамических электрохимических устройствах.
Обнаруженные продукты димеризации метана в контакте с №-Р88'10 при температурах 100-450 °С в атмосфере смеси метан + водород, содержащей 95 мол. % метана, позволяют в перспективе рассматривать данный процесс для получения этилена и ацетилена.
Личный вклад автора. Вывод изотопно-кинетических уравнений для теории пяти типов обмена, анализ кинетической различимости пяти типов обмена. Вывод кинетических уравнений физико-химических моделей для описания кинетики обмена водорода в системе «метан-твердое тело». Постановка методики изотопного обмена водорода в системах «метан-оксид» и «метан- водород-кермет». Проведение экспериментов по изотопному обмену водорода в системах «метан-оксид», «молекулярный водород-кермет», «метан-водород-кермет». Обработка результатов экспериментов по изотопному обмену водорода. Разработка способа определения концентрации компонентов газовой фазы на основе нейронной сети.
Постановка цели и задач, формулировка основных положений теории пяти типов обмена, выбор объектов исследования и методов их характеризации, а также обсуждение и интерпретация полученных результатов осуществлялась совместно с научным руководителем доц., д-ром хим. наук Ананьевым Максимом Васильевичем.
Синтез образцов LSS2, LSS5 и LSS10 выполняла канд. хим. наук Строева А. Ю. Получение композитов NiO-LSSlO и NiO-YSZ выполняли канд. хим. наук Тропин Е. С. и инж. ИВТЭ УрО РАН Солодянкина Д. М. Восстановление образцов NiO-LSSlO и NiO-YSZ в водороде выполнял вед. науч. сотр. ИВТЭ УрО РАН, д-р хим. наук Осинкин Д. А.
Измерения методом 1H ЯМР и первичная обработка полученных данных была выполнена гл. науч. сотр. ИХТТ УрО РАН, д-р хим. наук Денисовой Т. А. и ст. науч. сотр. ИХТТ УрО РАН, канд. хим. наук Журавлевым Н. А. Расчеты методом функционала плотности были выполнены ст. науч. сотр. ИФМ им. Н. М. Михеева УрО РАН, канд. физ.-мат. наук Белозеровым А. С. Исследования методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии были выполнены д-р хим. наук, вед. науч. сотр. Фетисовым А. В. в ЦКП «Урал-М» ИМЕТ УрО РАН. Изучение образцов выполнялась с использованием оборудования ЦКП «Состав вещества». Фазовый состав образцов определяла науч. сотр. ИВТЭ УрО РАН Ходимчук А. В., удельную поверхность образцов измеряла инж. ИВТЭ УрО РАН Солодянкина Д. М. и ст. науч. сотр. ИВТЭ УрО РАН, канд. хим. наук Поротникова Н. М. Измерения методом рамановской спектроскопии выполняла ст. науч. сотр. ИВТЭ УрО РАН, канд. техн. наук Вовкотруб Э. Г. Измерения методом растровой электронной микроскопии выполнялись канд. хим. наук Фарленковым А. С. Подготовка шлифов керметов Ni-LSS10 и Ni-YSZ осуществлялась Кисимовым А. А.
Выражаю благодарность гл. науч. сотр. ИВТЭ УрО РАН, д-р хим. наук Курумчину Э. Х., ст. науч. сотр. ИХТТ УрО РАН, канд. хим. наук Сунцову А. Ю., а также CNRS Researcher, IC2MP, University of Poitiers, PhD Nicolas Bion за обсуждение результатов проделанной работы.
Оценка достоверности результатов исследования. Достоверность результатов работы обосновывается воспроизводимостью экспериментальных данных, полученных с использованием современных экспериментальных и теоретических методов исследования, реализованных на современном оборудовании. Обработку экспериментальных данных осуществляли с учетом величины инструментальных погрешностей приборов. Уточнение кинетических параметров и оценку их точности выполняли с использованием метода наименьших квадратов, качество обработки экспериментальных данных оценивали на основании значений коэффициента детерминации и среднеквадратической ошибки. Интерпретация полученных данных осуществлялась с учетом имеющейся в литературе информации по теме исследования.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих международных и всероссийских конференциях, семинарах и симпозиумах: XXVIII Российской молодёжной научной конференции с международным участием «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» г. Екатеринбург, 25-27 апреля 2018 г; XXIX Российской молодёжной научной конференции с международным участием, посвященной 150-летию Периодической таблицы химических элементов «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» г. Екатеринбург, 23-26 апреля 2019 г; International Symposium on Isotopic Studies in Catalysis and Electrocatalysis. Франция, г. Пуатье, 3-4 июля 2019 г.; XVIII Российской конференции «Физическая химия и электрохимия расплавленных и твердых электролитов» (с международным участием). г. Нальчик, 21-25 сентября 2020 г.; XXXI Российской молодёжной научной конференции с международным участием «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», посвященной 90-летию со дня рождения профессора В.М. Жуковского. г. Екатеринбург, 20-23 апреля 2021 года.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в трёх статьях в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций основных научных результатов и входящих в международные базы цитирования Web of Science (WoS) и Scopus, а также в шести тезисах докладов, представленных на всероссийских и международных конференциях.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Курсовые Статьи Диплом Рязань

Заключение

1. Впервые разработана теория пяти типов обмена для описания кинетики перераспределения изотопов между молекулами, содержащими четыре атома одного сорта и конденсированной фазой. Показано, что пять типов обмена являются кинетически различимыми и любая физико-химическая модель обмена может быть описана в рамках теории пяти типов обмена. Продемонстрирована применимость разработанной теории к системам: «метан-твердое тело», «метан-водород-твердое тело» и «метан-жидкость», «этилен-металл», «метанол-водород-металл» для таких объектов как: Ь88, i-I.SSI0, у-АЬОз, металлический N1, суперкислота ЖОзР^ЬБз, гидратированный А^Юз и Рй.
2. Разработана методика исследований изотопного обмена водорода между метаном в газовой фазе и материалами на основе протонпроводящих оксидов. Предложен оригинальный способ расчета концентраций компонентов газовой фазы, включая изотопологи метана, с учетом перекрывания масс-спектров индивидуальных компонентов газовой фазы на основе нейросетевого алгоритма.
3. Впервые сформулирована модель диссоциативной адсорбции метана с участием водородсодержащих форм с различной энергией связи, а также рассмотрены частные случаи данной модели, в том числе двухступенчатая модель диссоциативной адсорбции метана и модель диссоциативной адсорбции метана с параллельными стадиями диссоциации. Показана взаимосвязь между скоростями элементарных стадий рассмотренных моделей и пяти типов обмена водорода. Разработан алгоритм и критерии выбора физико-химической модели обмена водорода между метаном и конденсированной фазой на основе анализа вкладов пяти типов обмена и впервые введенных с-параметров, рассчитываемых из результатов обработки экспериментальных данных в рамках теории пяти типов обмена.
4. Методом изотопного обмена водорода получены зависимости мольных долей изотопологов компонентов газовой фазы от времени в системах: «метан-оксид» на LSS в интервале температур 400-700 °С при 10 мбар смеси метан + водород, содержащей 95 мол.% метана; «молекулярный водород-кермет» на образцах Ni-LSS10 и Ni-YSZ в интервале температур 400-800 °С при 2 мбар водорода; «метан-водород-кермет» на образце Ni-LSS10 в интервале температур 300-450 °С при 2 мбар смеси метан + водород, содержащей 5, 10, 20 и 95 мол.% метана. Получены значения скоростей, характеризующих кинетику обмена в указанных системах, а также рассчитаны значения эффективной энергии активации соответствующих стадий. Рассчитаны значения вкладов пяти и трёх типов обмена водорода для метана и водорода в газовой фазе, а также скорости межфазного обмена и общие скорости обмена водорода.
5. Методами изотопного обмена водорода в системе «метан-оксид» и 1Н ЯМР впервые показана возможность инкорпорирования водорода из метана газовой фазы в структуру допированных стронцием скандатов лантана.
6. Кинетика обмена водорода между метаном в газовой фазе и 188 описана в рамках двухступенчатой модели диссоциативной адсорбции метана. Установлено, что скоростьопределяющей стадией обмена водорода между метаном и образцами 1882 и 1885, является инкорпорирование водорода из водородсодержащих адсорбционных форм. Для 18810 стадии диссоциативной адсорбции метана и инкорпорирования водорода из водородсодержащих адсорбционных форм являются конкурирующими. Увеличение содержания стронция в Ь88 увеличивает скорость межфазного обмена водорода и содержание дейтерия в Ь88. Вероятно, адсорбционные формы (С11.,)..- локализуются в вакансиях кислорода на поверхности Ь88.
7. Предложены модели для описания кинетики обмена водорода между молекулярным водородом и керметами N1-1.8810, N¡-¥87, включающие следующие стадии: диссоциативную адсорбцию на отдельных фазах керметов; стадии диффузии водорода по поверхности и в объеме N1 в направлении ТФГ; поверхностную диффузию водорода на ¥87 или 18810 в направлении к ТФГ; инкорпорирование адатомов водорода и форм на ТФГ в структуру 18810. Скоростьопределяющей стадией обмена водорода на керметах в условиях эксперимента является диффузия водорода по поверхности фаз N1 и 18810. Показано, что диффузия водорода по поверхности фазы 18810 протекает существенно быстрее чем по поверхности фаз N1 и ¥87 при температурах < 600 °С.
8. В системе «метан-водород-кермет» на N1-18810 предложена модель для описания кинетики обмена водорода и установлено, что скоростьопределяющая стадия обмена водорода связана с обменом между формами (СНДа (д = 1—3) и Н№.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования. Разработанные теория и методика изотопного обмена могут быть в дальнейшем использованы для исследования механизмов взаимодействия метана в системах типа «газ-конденсированная фаза», содержащих несколько водородсодержащих компонентов, для таких практически важных классов каталитических материалов, как протонпроводящие перовскиты, гидратированные оксиды, органические и неорганические полимеры, а также протонные жидкие электролиты.
Выявленные механизмы обмена водорода в системах «метан-оксид», «метан-водород-кермет» и «молекулярный водород-кермет», а также скорости элементарных стадий обмена для материалов Ь88 и N1-18810 могут быть использованы в дальнейшем при выборе оптимальных условий эксплуатации протонно-керамических электрохимических устройств на основе Ь88.
В целях практической реализации протонно-керамических устройств на основе LSS для конверсии углеводородного сырья, необходимы дальнейшие исследования in operandoдля анализа влияния электрического тока на механизм взаимодействия метана газовой фазы с электродными материалами на основе LSS. Основные положения теории пяти типов обмена могут быть распространены на другие молекулы, содержащие четыре атома одного сорта (CH4, C2H4, 13C4H10, CH3COOH, CH3OH, СНзСН=О, 13C4H8 и т.д.).
Предложенный подход к описанию механизма обмена с участием молекул, содержащих четыре атома одного сорта, с использованием теории пяти типов обмена и включающий решение прямой и обратной задачи метода изотопного обмена, может быть в дальнейшем усовершенствован и применен к описанию кинетики перераспределения изотопов между молекулами, содержащими произвольное количество атомов. В этом случае, количество типов обмена будет другим, однако основная идея типов обмена не изменится.
В настоящей работе были рассмотрены реакции изотопного обмена первой группы по Рогинскому, протекающие в условиях химического равновесия в системе «газ-конденсированная фаза». Большой практической важностью обладают задачи исследования химических реакций вдали от состояния равновесия. Таким образом, дальнейшее развитие теории и эксперимента по изотопному обмену также должно быть направлено на разработку теоретических подходов к описанию кинетики перераспределения изотопов вдали от химического равновесия.

Литература

1. Jang, W. J A review on dry reforming of methane in aspect of catalytic properties / W. -J. Jang, J.-O. Shim, H.-M. Kim, S. -Y. Yoo, H. -S. Roh// Catal. Today. - 2019. - V. 324.-P. 15-26.
2. Ma, R. Catalytic partial oxidation (CPOX) of natural gas and renewable hydrocarbons/oxygenated hydrocarbons—A review / R. Ma, B. Xu, X. Zhang // Catal. Today.
-2019. - V. 338. - P. 18-30.
3. Ashkroft, A.T. Partial oxidation of methane to synthesis gas using carbon dioxide / A.T. Ashkroft, A.K. Cheethman, M.L.H. Green, P. D. F. Vernon // Nature. - 1991. - V. 352.-P. 225-226.
4. Dahl, I. M. Pulse reactor characterization studies of a Li/MgO catalyst for the oxidative coupling of methane / I. M. Dahl, K.-J. Jens, S. Kvisle, A. Slagtern // Stud. Surf. Sci. Catal. - 1991.- V. 61. - P. 81-87.
5. Sedogan, S. Advances in reforming and partial oxidation of hydrocarbons for hydrogen production and fuel cell applications / S. Sedogan, R. Lan, J. Humphreys, D. Du, W. Xu, H. Wang, S. Tao // Renew. Sust. Energ. Rev. - 2018. - V. 82. - P. 761-780.
6. Ni, M. Modeling and parametric simulations of solid oxide fuel cells with methane carbon dioxide reforming / M. Ni // Energ. Convers. Manage. - 2013. - V. 70. - P. 116-129.
7. Hanna, J. Fundamentals of electro- and thermochemistry in the anode of solid-oxide fuel cells with hydrocarbon and syngas fuels / J. Hanna, W.E. Lee, Y. Shi, A. F. Ghoniem // Prog. Energ. Combust. - 2014. - V. 40. - P. 74-100.
8. Han, B. A review of the direct oxidation of methane to methanol / B. Han, Y. Yang, Y. Xu, U. J. Etim, K. Qiao, B. Xu, Z. Yan // Chinese J. Catal. - 2016. - V. 37. - P. 1206-1217.
9. Nahar, G. Hydrogen production from simple alkanes and oxygenated hydrocarbons over ceria-zirconia supported catalysts: Review / G. Nahar, V. Dupont // Renew. Sust. Energ. Rev. - 2014.-V. 32. - P. 777-796.
10. Karakaya, C. Progress in the direct catalytic conversion of methane to fuels and chemicals / C. Karakaya, R. J. Kee // Prog. Energ. Combust. - 2016. - V. 55. - P. 60-97.
11. Aramouni, N.A.K. Catalyst design for dry reforming of methane: Analysis review / N.A.K. Aramouni, J.G. Touma, B.A. Tarboush, J. Zeaiter, M. N. Ahmad// Renew. Sust. Energ. Rev.-2018. - V. 82. - P. 2570-2585.
12. Neal, L. M. Dynamic Methane Partial Oxidation Using a Fe2Os@La0.8Sr0.2FeO3-d Core-Shell Redox Catalyst in the Absence of Gaseous Oxygen / L. M. Neal, A. M. Shafiefarhood, F. Li // ACS Catal. - 2014. - V. 4. - P. 3560-3569.
13. Olivos-Suarez, A. I. Strategies for the Direct Catalytic Valorization of Methane Using Heterogeneous Catalysis, Challenges and Opportunities / A. I. Olivos-Suarez, A. Szdcsdnyi, E. J. M. Hensen, J. Ruiz-Martinex, E. A. Pidko, J. Gascon // ACS Catal. - 2016. - V. 6. - P. 2965-2981.
14. Vogt, C. Structure Sensitivity in Steam and Dry Methane Reforming over Nickel: Activity and Carbon Formation / C. Vogt, J. Kranenborg, M. Monai, B. M. Weckhuysen //ACS Catal.-2020. - V. 10. - P. 1428-1438.
15. Streb, A. M. Novel Adsorption Process for Co-Production of Hydrogen and CO2 from a Multicomponent Stream—Part 2: Application to Steam Methane Reforming and Autothermal Reforming Gases / A. Streb, M. Mazotti // Ind. Eng. Chem. Res. - 2020. - V. 59. - P. 10093-10109.
16. Xu, Y. Enhancing the methane steam reforming catalytic performance of Ni monolithic catalysts via Ni-Resurface alloying / Y. Xu, T. Hirano, H. Kunieda, Y. Hara, Y. Miyata // Catal. Sci. Technol. - 2020. - V. 10. - P. 2004-2019.
17. Zhou, Y. Methane steam reforming at low steam-to-carbon ratio: The effect of Y doping in Rh substituted lanthanum zirconates / Y. Zhou, D. Haynes, J. Baltrus, A. Roy, D. Shekhawat,
J. J. Spivey // Appl. Catal. A-Gen. - 2020. - V. 606. - P. 117802.
18. Carapellucci, R. L. Giordano, Steam, dry and autothermal methane reforming for hydrogen production: A thermodynamic equilibrium analysis / R. Carapellucci, L. Giordano // J. Power Sources. - 2020. - V. 469. - P. 228391.
19. Lyu, Y. Nickel Speciation and Methane Dry Reforming Performance of Ni/CexZri-xO2 Prepared by Different Synthesis Methods / Y. Lyu, J. Jocz, R. Xu, E. Stavitski, C. Sievers // ACS Catal.-2020. - V. 10. - P. 11235-11252.
20. Mallikarjun, G. Hydrogen rich syngas production by bi-reforming of methane with CO2 over Ni supported on CeO2-SrO mixed oxide catalysts / G. Mallikarjun, T.V. Sagar, S. Swapna, N. Raju, P. Chandrashekar, N. Lingaiah // Catal. Today. - 2020. - V. 356. - P. 597-603.
21. Wang, Y. Understanding effects of Ni particle size on steam methane reforming activity by combined experimental and theoretical analysis / Y. Wang, H. Wang, A. Dam, L. Xiao, Y. Qi, J. Niu, J. Yang, Y. Zhu, A. Holmen, D. Chen // Catal. Today. - 2020. - V. 355. - P. 139-147.
22. Pino, L. Kinetic study of the methane dry (CO2) reforming reaction over the Ceo.7oLao.2oNio.1oO2-d catalyst / L. Pino, C. Italiano, M. Lagana, A. Vita, V. Recupero // Catal. Sci. Technol. - 2020. - V. 10. - P. 2652-2662.
23. Lefebvre-Joud, F. Current status of proton-conducting solid oxide fuel cells development / F. Lefebvre-Joud, G. Gauthier, J. Mougin // J. Appl. Electrochem. - 2009. - V. 39. - P. 535-543.
24. Shi, Z. Protonic membrane for fuel cell for co-generation of power and ethylene / Z. Shi, J.L. Luo, S. Wang, A. R. Sanger, K. T. Chuang // J. Power Sources. - 2008. - V. 176. - P. 122-127.
25. Duan, C. Highly durable, coking and sulfur tolerant, fuel-flexible protonic ceramic fuel cells / C. Duan, R.J. Kee, Z. Huayang, M. Shang, S. Nikodemski, M. Sanders, S. Ricote, A. Almansoori, R. O’Hayre // Nature. - 2018. - V. 557. - P. 217-235.
26. Duan, C. Readily processed protonic ceramic fuel cells with high performance at low temperatures / C. Duan, J. Tong, M. Shang, Nikodemski, M. Sanders, S. Ricote, A. Almansoori, R. O’Hayre // Science. - 2015. - V. 359. - P. 1321-1326.
27. Dia, H. Electrochemical performance of protonic ceramic fuel cells with stable BaZrOs- based electrolyte: A mini-review / H. Dia, H. Kou, H. Wang, L. Bi // Electrochem. Commun. - 2018.- V. 96. - P. 11-15.
28. Putilov, L. P. Theoretical modeling of the gas humidification effect on the characteristics of proton ceramic fuel cells / L. P. Putilov, A. K. Demin, V. I. Tsidilkovski, P. Tsiakaras // Appl. Energ.-2019. - V. 242. - P. 1448-1459.
29. Duan, C. Highly efficient reversible protonic ceramic electrochemical cells for power generation and fuel production / C. Duan, R. J. Kee, Z. Huayang, N. Sullivan, L. Zhu, L. Bian, D. Jennings, R. O’Hayre // Nature Energy. - 2019. - V. 4. - P. 230-24o.
30. Albrecht, K. J. Steady-State and Dynamic Modeling of Intermediate-Temperature Protonic Ceramic Fuel Cells / K. J. Albrecht, A. Dubois, K. Ferguson, C. Duan, R. P. O’Hayre, R. J. Braun // J. Electrochem. Soc. - 2019. - V. 166. - P. 687-7oo.
31. Zhu, H. Equilibrium thermodynamic predictions of coking propensity in membrane-based dehydrogenation of hydrocarbons and alcohols / H. Zhu, B.L. Kee, C. Karakaya, R. O’Hayre, R. J. Kee// Catal. Today. - 2019. - V. 331. - P. 7-11.
32. Plekhanov, M. S. New mixed ionic and electronic conductors based on LaScOa: Protonic ceramic fuel cells electrodes / M.S. Plekhanov, A.V. Kuzmin, E.S. Tropin, D. A. Korolev, M. V. Ananyev// J. Power Sources. - 2020. - V. 449. - P. 27476.
33. Kuzmin, A.V. LaScO3-based electrolyte for protonic ceramic fuel cells: Influence of sintering additives on the transport properties and electrochemical performance / A. V. Kuzmin, A. S. Lesnichyova, E. S. Tropin, A. Yu. Stroeva, V. A. Vorotnikov, D. M. Solodyankina,
S. A. Belyakov, M. S. Plekhanov, A. S. Farlenkov, D. A. Osinkin, S. M. Beresnev, M. V. Ananyev // J. Power Sources. - 2020. - V. 466. - P. 228255.
34. Iwahara, H. Proton conducting ceramics and their applications / H. Iwahara // Solid State Ionics. - 1996. - V. 86-88. - P. 9-15.
35. Uchida, H. N. Maeda, H. Iwahara, Relation between proton and hole conduction in SrCeOs-based solid electrolytes under water-containing atmospheres at high temperatures / H. Uchida, N. Maeda, H. Iwahara // Solid State Ionics. - 1996. - V. 11. - P. 117-124.
36. Bohn, H. J. Electrical Conductivity of the High-Temperature Proton Conductor BaZr0.9Y0.1O2.95 / H. J. Bohn, T. Schober // J. Am. Ceram. Soc. - 2000. - V. 83. - P. 768-772.
37. Vdovin, G. K. High-temperature proton conductors based on strontium and barium cerates: The content, interphase exchange, and diffusion of hydrogen / G. K. Vdovin, E. Kh. Kurumchin // Russ. J. Electrochem. - 2004. - V. 40. - P. 403-409.
38. De Souza, R. A. The application of secondary ion mass spectrometry (SIMS) to the study of high temperature proton conductors (HTPC) / R. A. De Souza, R. A. Kilner, C. Jeynes // Solid State Ionics. - 1997. - V. 97. - P. 409-417.
39. Yamazaki, Y. Unraveling the defect chemistry and proton uptake of yttrium-doped barium zirconate / Y. Yamazaki, C.-K. Yang, S. M. Haile // Scripta Mater. - 2011. - V. 65.
- P. 102-107.
40. Schober, T. Water vapor solubility and electrochemical characterization of the high temperature proton conductor BaZr0.9Y0.1O2.95 / T. Schober, H. G. Bohn //Solid State Ionics. - 2000.
- V. 127. - P. 351-360.
41. Kreuer, K. D. Proton-conducting oxides / K. D. Kreuer // Ann. Rev. Mater. Res. - 2003.
- V. 33. - P. 333-359.
42. Kjolseth, C. Determination of the enthalpy of hydration of oxygen vacancies in Y-doped BaZrOs and BaCeO3 by TG-DSC / C. Kjolseth, L. -Y. Wang, R. Haugsrud, T. Norby // Solid State Ionics. - 2010. - V. 181. - P. 1740-1745.
43. Yamazaki, Y. Defect Chemistry of Yttrium-Doped Barium Zirconate: A Thermodynamic Analysis of Water Uptake / Y. Yamazaki, P. Babilo, S.M. Haile // Chem. Mater. - 2008.- V. 20.
- P.6352-6357.
44. Stroeva, A. Yu. Phase Composition and Conductivity of La1-xSrxScO3-a (x = 0.01-0.20) under Oxidative Conditions / A. Yu. Stroeva, A. P. Gorelov, A. V. Kuz’min, E. P. Antonova, S. V. Plaksin // Russ. J. Electrochem. - 2012. - V. 48. - P. 559-568.
45. Stroeva, A. Yu. Effect of Scandium Sublattice Defectiveness on Ion and Hole Transfer in LaScO3-based Proton-Conducting Oxides / A. Yu. Stroeva, A. P. Gorelov, A. V. Kuz’min, V. B. Vykhodets, T. E. Kurennykh // Russ. J. Electrochem. - 2011. - V. 47. - P. 283-294.
46. Gorelov, A. P. Solid Proton Conducting Electrolytes Based on LaScO3 / A. P. Gorelov, A. Yu. Stroeva // Russ. J. Electrochem. - 2012. - V. 48. - P. 949-960.
47. Nomura, K. Proton conduction in doped LaScO3 perovskites / K. Nomura, T. Takeuchi, S. Kamo, H. Kageyama, Y. Miyazaki// Solid State Ionics. - 2004. - V. 175. - P. 553-555.
48. Nomura, K. Proton conduction in (La0.9Sr0.1)MIIIO3-d (MIII=Sc, In, and Lu) perovskites / K. Nomura, T. Takeuchi, S. Tanase, H. Kageyama, K. Tanimoto, Y. Miyazaki // Solid State Ionics.
- 2002. - V. 154-155. - P. 647-652.
49. Farlenkov, A.S. Water uptake, ionic and hole transport in La0.9Sr0.1ScO3-d /
A. S. Farlenkov, L. P. Putilov, M. V. Ananyev, E. P. Antonova, V. A. Eremin, A. Yu. Stroeva, E. A. Sherstobitova, V. I. Voronin, I. F. Berger, V. I. Tsidilkovski, V. P. Gorelov // Solid State Ionics.
- 2017. - V. 306. - P. 126-136.
50. Farlenkov, A.S. Local disorder and water uptake in La1-xSrxScO3-d / A.S. Farlenkov, A.G. Smolnikov, M.V. Ananyev, A. V. Khodimchuk, A. L. Buzlukov, A. V. Kuzmin, N. M. Porotnikova // Solid State Ionics. - 2017. - V. 306. - P. 82-88.
51. Ананьев, М. В. Изотопный обмен газообразных кислорода и водорода с оксидными электрохимическими материалами: дис. ... д-ра. хим. наук 02.00.04 / Ананьев Максим Васильевич. - Екатеринбург, 2016. - 391 с.
52. Фарленков, А. С. Взаимодействие газообразных кислорода, воды и водорода с протонпроводящими оксидами на основе скандата лантана и их структурно-морфологические свойства: дис. ... канд. хим. наук 02.00.04 / Андрей Сергеевич Фарленков. - Екатеринбург, 2020.
- 156 с.
53. Ananyev, M. V. Isotopic exchange between hydrogen from the gas phase and proton-conducting oxides: Theory and experiment / M. V. Ananyev, A. S. Farlenkov, E. Kh. Kurumchin // Int.
J. Hydrogen Energ. - 2018. - V. 43, N. 29 -P. 13373-13382.
54. Farlenkov, A.S. Interaction of O2, H2O and H2 with proton-conducting oxides based on lanthanum scandates / A.S. Farlenkov, N.A. Zhuravlev, T.A. Denisova, M. V. Ananyev // Int. J. Hydrogen Energ. - 2019. - V. 44. - P. 26419-26427.
55. Farlenkov, A.S. Oxygen isotope exchange in proton-conducting oxides based on lanthanum scandates / A.S. Farlenkov, A.V. Khodimchuk, N.A. Shevyrev, A. Yu. Stroeva, A. V. Fetisov,
M. V. Ananyev // Int. J. Hydrogen Energ. - 2019. - V. 44. - P. 26557-26588.
56. Farlenkov, A.S. Hydrogen diffusivity in the Sr-doped LaScO3 proton-conducting oxides / A.S. Farlenkov, M.V. Vlasov, N.M. Porotnikova, I. A. Bobrikov, A. V. Khodimchuk, M. V. Ananyev // Int. J. Hydrogen Energ. - 2020. - V. 45. - P. 23455-23468.
57. Одзаки, А. Изотопные исследования гетерогенного катализа / А. Одзаки - М.: Атомиздат, 1979. - 232 с.
58. Боресков, Г. К. Гетерогенный катализ / Г. К. Боресков. - Новосибирск: Наука, 1986. - 326 c.
59. Рогинский, С. З. Теоретические основы изотопных методов изучения химических реакций. / С. З. Рогинский. - М.: Издательство АН СССР, 1956. 611 с.
60. McKay, H. A. C. Kinetics of Exchange reactions / H. A. C. McKay // Nature. - 1938.
- V. 142. - P. 997.
61. Klier, K. Theory of Exchange Reactions between Fluids and Solids with Tracer Diffusion in the Solid / K. Klier, E. Kucera // J. Phys. Chem. Solids. - 1966. - V. 27. - P. 1087-1095.
62. Езин, А. Н. Моделирование кинетики изотопного обмена кислорода в оксидах: дис. ... канд. физ.-мат. наук / Александр Николаевич Езин. - Екатеринбург, 1999. - 159 с.
63. Валь, В. Использование радиоактивности при химических исследованиях / В. Валь,
H. Боннер. - М.: Изд-во иностр. лит, 1954. 562 с.
64. Музыкантов, В. С. Кинетика изотопного обмена в системе молекулярный кислород твердый окисел / В. С. Музыкантов, В. В. Поповский, Г. К. Боресков // Кинетика и катализ.
- 1964. - Т. 5. - Вып. 4. - С. 624-629.
65. Музыкантов, В. С. Определение типов гомомолекулярного обмена кислорода на окислах / В. С. Музыкантов, Г. И. Панов, Г. К. Боресков // Кинетика и катализ. - 1973. - Т. 14.
- Вып. 4. - С. 948-955.
66. Klier, K. Exchange Reactions of Oxygen between Oxygen Molecules and Solid Oxides /
K. Klier, J. Novakova, P. Jiru // J. Catal. - 1963. - V. 2. - P. 479-484.
67. Курумчин, Э. Х. Кинетика обмена кислорода в электрохимических системах на основе твердых оксидных электролитов: дис. ... д-ра хим. наук / Эдхем Хурьятбекович Курумчин. - Екатеринбург, 1997. - 459 с.
68. Morikawa, K. Communications to the editor / K. Morikawa, W. S. Benedict, H. S. Taylor // J. Am. Chem. Soc. - 1935. - V. 57. N. 3. - P. 590-593.
69. Morikawa, K. The activation of specific bonds in complex molecules at catalytic surfaces.
I. The carbon-hydrogen bond in methane and methane-^4 / K. Morikawa, W. S. Benedict, H. S. Taylor // J. Am. Chem. Soc. - 1936. - V. 58. N. 8. - P. 1445-1449.
70. Wright, M. M. The interaction of methane and methane-d4 on nickel and the state of the catalyst surface / M. M. Wright, H. S. Taylor // J. Can. Res. B. - 1949. - V. 27. N. 4. - P. 303-317.
71. Kembal, C. Reaction of methane and deuterium on evaporated nickel catalysts / C. Kembal // Proc. R. Soc. Lond. A. - 1951. - V. 207. N. 1091. - P. 539-554.
72. Kembal, C. Catalysis on evaporated metal films. II. The efficiency of different metals for the reaction between methane and deuterium / C. Kembal // Proc. R. Soc. Lond. A. - 1953. - V. 217.
N. 1130. - P. 376-389.
73. Anderson, J. R. Catalysis on evaporated metal films. III. The efficiency of different metals for the reaction between ethane and deuterium / J. R. Anderson, C. Kembal // Proc. R. Soc. Lond. A. - 1954. - V. 223. N. 1154. - P. 361-367.
74. Frennet, A. Chemisorption and exchange with deuterium of methane on metals /
A. Frennet // Catal. Rev. - Sci. Eng. - 1974. - V. 10. N. 1. - P. 37-68.
75. Flanagan, T. B. Exchange and isomerization of trans-ethylene-dz on nickel kinetic studies / T. B. Flanagan, B. S. Rabinovich // J. Phys. Chem-US. - 1956. - V. 60. N. 6. - P. 724-729.
76. Flanagan, T. B. Exchange and isomerization of deuteroethylenenes on nickel equilibration / T. B. Flanagan, B. S. Rabinovich // J. Phys. Chem-US. - 1956. - V. 60. N. 6.
- P. 730-732.
77. Miyahara, K. Exchange reaction between methane and deuterium / K. Miyahara // Journal of The Research Institute for Catalysis Hokkaido University. - 1957. - V. 4. - №. 3. - P. 177-184.
78. Bolder, H. Kinetics and distribution in hydrogen isotope exchange and redistribution / H. Bolder, G. Dallinga, H. Kloosterziel // J. Catal. - 1964. - V. 3. N. 3. - P. 312-340.
79. Muzykantov, V. S. Distribution and transfer of atoms by elementary reactions / V. S. Muzykantov // React. Kinet. Catal. L. - 1980. - V. 13. N. 4. - P. 419-424.
80. Muzykantov, V. S. Kinetic equations of isotope redistribution in an elementary reaction / V. S. Muzykantov // React. Kinet. Catal. L. - 1980. - V. 14. N. 1. - P. 113-118.
81. Muzykantov, V. S. Kinetic equations of isotope transfer by elementary reaction / V. S. Muzykantov // React. Kinet. Catal. L. - 1980. - V. 14. N. 2. - P. 161-167.
82. Muzykantov, V. S. Kinetics of isotopic exchange due to one elementary reaction / V. S. Muzykantov // React. Kinet. Catal. L. - 1980. - V. 14. N. 3. - P. 311-316.
83. Шестов, А. А. Изотопная кинетика обмена и механизмы гетерогенно-каталитической активации метана и этена: дис. ... канд. хим. наук 02.00.15 / Александр Александрович Шестов. - Новосибирск, 1993. - 243 с.
84. Anderson, J. R. Relation between catalytic properties and structure of metal films. I. Deuterium exchange of methane, ethane and propane over nickel / J. R. Anderson, R. J. Macdonald // J. Catal. - 1969. - V. 13. N. 4. - P. 345-359.
85. McKee, D. W. Catalytic Exchange of Methane and Deuterium on Platinum, Ruthenium, and Platinum-Ruthenium Alloys / D. W. McKee, F. J. Norton // J. Phys. Chem-US. - 1964. - V. 68. N. 3. - P. 481-489.
86. McKee, D. W. Catalytic activity of noble metal alloys. Methane-deuterium exchange and propane cracking on platinum-palladium and palladium-rhodium alloys / D. W. McKee, F. J. Norton // J. Catal. - 1964. - V. 3. - P. 252-267.
87. McKee, D. W. Methane-Deuterium Exchange over Platinum-Rhodium Alloys / D. W. McKee, F. J. Norton // J. Catal. - 1965. - V. 4. - P. 510-517.
88. McKee, D. W. Catalytic Exchange of Methane with Deuterium on Palladium-Gold Alloys / D. W. McKee // J. Phys. Chem. US. - 1966. - V. 70. N. 2. - P. 525-530.
89. Guszi, L. Catalytic Reactions of Hydrocarbons over Pt-Pd Alloys II. Deuterium Exchange of Methane and Ethane over Pt-Pd Alloy Films. Surface Composition of Pt-Pd Alloy System / L. Guszi, Z. Karpiski // J. Catal. - 1979. - V. 56. - P. 438-444.
90. Larson, J. G. VII. Studies of hydrogen held by solids. The exchange of the hydroxyl group of alumina and silica-alumina catalyst with deuterated methane / J. G. Larson, W. K. Hall // J. Phys. Chem-US. - 1965. - V. 69. - P. 3080-3089.
91. Robertson, P. J. Exchange of alkanes with deuterium over y-alumina. A Bronsted linear free energy relationship / P. J. Robertson, M. S. Scurrel, C. Kemball // Farad. Trans. - 1975. - V. 71.-P. 903-912.
92. Kalman, J. Hydrogen-Deuterium Exchange in Saturated Hydrocarbons on a-Chromia Catalyst / J. Kalman, L. Guszi // J. Catal. - 1977. - V. 47. - P. 371-383.
93. Utiyama, M. Exchange Reaction of Methane with Deuterium over Solid Base Catalysts / M. Utiyama, H. Hattori, K. Tanabe // J. Catal. - 1978. - V. 53. - P. 237-242.
94. Quanzhi, Li. Exchange reaction of methane on some oxide catalyst / Li. Quanzhi, Y. Amenomya // Appl. Catal. - 1986. - V. 23. N. 1. - P. 173-182.
95. Bird, R. Reactions of Alkanes with Deuterium on Lanthana in the Temperature Range 570 to 720 K / R. Bird, C. Kemball, H. Frank Leach // J. Catal. - 1987. - V. 107. - P. 424-433.
96. S. Lacombe, S. Isotopic exchange and volumetric studies on methane activation over rare- earth oxides / S. Lacombe, A. Holmen, E. E. Wolf, V. Ducarme, P. Moral, C. Mirodatos // Stud. Surf. Sci. Catal. - 1994. - V. 81. - P. 211-216.
97. Hargreaves, J. S. J. A study of the methane-deuterium exchange reaction over a range of metal oxides / J. S. J. Hargreaves, G. J. Hatchings, R. W. Joyner, S. H. Taylor // Appl. Catal. A-Gen.
- 2002. - V. 227. - P. 191-200.
98. Cece, J. M. Studies of Supported Metal Catalysts II. The Effect of Dispersion on Methane-Deuterium Exchange Over Supported Nickel / J. M. Cece, R. D. Gonzalez // J. Catal. - 1973.-V. 28. - P. 260-264.
99. Leach, H. F. The Exchange of Methane, Ethane, and Propane with Deuterium on Silica- Supported Nickel Catalyst / H. F. Leach, C. Mirodatos, D. A. Whan // J. Catal. - 1980. - V. 63.-P. 138-151.
100. Dalmon, J. A. Exchange with deuterium of methane on nickel catalysts / J. A. Dalmon, C. Mirodatos // J. Mol. Catal. - 1984. - V. 25. - P. 161-172.
101. Oliver, J. A. Exchange Reactions of Hydrocarbons on Silica-supported Rh-Pt Bimetallic Catalyst / J. A. Oliver, C. Kemball, R. Brown, E. W. Jamieson // Farad. Trans. - 1985. - V. 81.-P.1871-1881.
102. Miura, H. Effect of the surface composition of silica supported Pt-Ru bimetallic catalysts on methane-deuterium exchange reaction / H. Miura, Y. Ushikubo, K. Sugiyama, T. Matsuda // React. Kinet. Catal. L. - 1986. - V. 32. - P. 487-498.
103. Garden, D. Reactions of Hydrocarbons on Alumina-supported Pt-Ir Bimetallic Catalysts / D. Garden, C. Kemball, D. A. Whan // Farad. Trans. - 1986. - V. 82. - P. 3113-3123.
104. Brown, R. Reactions of Hydrocarbons over Ru/SiO2: Exchange with Deuterium and the Onset of Hydrogenolysis / R. Brown, C. Kemball // Farad. Trans. - 1993. - V. 89. - P. 585-594.
105. Khodakov, A. Effect of Pt Particle Size on H/D Exchange of Methane over Alumina and Zeolite-supported Catalysts / A. Khodakov, N. Barbouth, Y. Berthler, J. Oudar, P. Schulz // Farad. Trans.-1995. - V. 91. - P. 569-573.
106. Da Costa Faro, A. Influence of Strong Metal-Support Interaction on Exchange with Deuterium and other Reactions of Hydrocarbons Part 1.-Studies with Rh/TiO2, and Rh/SiO2 / A. da Costa Faro, C. Kemball // Farad. Trans. - 1995. - V. 91. - P. 741-748.
107. Otsuka, K. Hydrogen-Deuterium Exchange Studies on the Decomposition of Methane over Ni/SiO2 / K. Otsuka, S. Kobayashi, S. Takenaka // J. Catal. - 2001. - V. 200. - P. 4-9.
108. Mirich, A. Heterogeneous Catalysis: Deuterium Exchange Reactions of Hydrogen and Methane / A. Mirich, T. H. Miller, E. Klotz, B. Mattson // J. Chem. Educ. - 2015. - V. 92.-P. 2087-2093.
109. Naito, S. Mechanistic study on the methane activation over various supported molybdenum carbide catalysts with isotopic tracer methods / S. Naito, A. Takada, S. Tokizawa, T. Miyao // Appl. Catal. A-Gen. - 2005. - V. 289. - P. 22-27.
110. Brush, A. Evidence of methane absorption on over Mo2C involving single C-H bond dissociation instead facile carbon exchange / A. Brush, G. M. Mullen, R. Dupre, S. Kota, C. B. Mullins // React. Chem. Eng. - 2016. - V. 1. - P. 667-674.
111. Walspurger, S. H/D isotope exchange between methane and magic acid (HSOsF-SbF5): an in situ NMR study / S. Walspurger, A. Goeppert, M. Haouas, J. Sommer // New J. Chem. - 2004.-V. 28. - P. 266-269.
112. Parravano, G. The exchange reaction between methane and deuteromethanes on silica- alumina cracking catalyst / G. Parravano, E. F. Hammel, H. S. Taylor // J. Am. Chem. Soc. - 1948.-V. 70. - P. 2269-2270.
113. Kramer, G. J. Understanding of acid behaviour of zeolites from theory and experiment / G. J. Kramer, R. A. van Santen, C. A. Emels, A. K. Nowak // Nature. - 1993. - V. 363. - P. 529-531.
114. Kramer, G. J. An ab initio study of D/H exchange between CD4 and the H-Forms of zeolites FAU and MFI / G. J. Kramer, R. A. van Santen // J. Am. Chem. Soc. - 1995. - V. 117.-P.1766-1776.
115. Blaszkowski, S. R. Density functional theory calculations of the transition states for hydrogen exchange and dehydrogenation of methane by a Bronsted zeolitic proton / S. R. Blaszkowski, A. P. J. Jansen, M. A. C. Nascimento, R. A. van Santen // J. Phys. Chem-US. - 1994. - V. 98.-P.12938-12944.
116. Lee, B. Infrared study of H/D isotope exchange reaction of alkanes and Bronsted acidic hydroxyl groups of FER zeolite / B. Lee, J. N. Kondo, F. Wakabayashi, K. Domen // Catal. Lett. - 1999.-V. 59. - P. 51-54.
117. Schoofs, B. Kinetics of Hydrogen-Deuterium Exchange Reactions of Methane and Deuterated Acid FAU- and MFI-Type Zeolites / B. Schoofs, J. A. Martens, P. A. Jacobs, R. A. Schoonheydt // J. Catal. - 1999. - V. 183. - P. 355-367.
118. Vollmer, J. M. Mechanisms of hydrogen exchange of methane with H-Zeolite Y: an ab initio embedded cluster study / J. M. Vollmer, T. N. Truong // J. Phys. Chem. B. - 2000. - V. 104. - P. 6308-6312.
119. Zheng, X. A computational study of alkane hydrogen-exchange reactions on zeolites / X. Zheng, P. Blowers // J. Mol. Catal. A-Chem. - 2005. - V. 242. - P. 18-25.
120. Wen, B. H/D exchange of methane over transition metal/MFI catalysts / B. Wen, W. M. H. Sachtler // Appl. Catal. A-Gen. - 2002. - V. 229. - P. 11-22.
121. Stepanov, A. G. Zn-promoted hydrogen exchange for methane and ethane on Zn/H-BEA zeolite: In situ 1H MAS NMR kinetic study / A. G. Stepanov, S. S. Arzumanov, A. A. Gabrienko // J. Catal. - 2008. - V. 253. - P. 11-21.
122. Arzumanov, S. S. Methane Activation on In-Modified ZSM-5 Zeolite. H/D Hydrogen Exchange of the Alkane with Bronsted Acid Sites / S. S. Arzumanov, I. B. Moroz, D. Freude, J. Haase, A. G. Stepanov // J. Phys. Chem. C. - 2014. - V. 118. - P. 14427-14432.
123. Van Der Lugt, W. Th. A. M. Retention and inversion in bimolecular substitution reactions of methane / W. Th. A. M. Van Der Lugt, P. Ros // Chem. Phys. Lett. - 1969. - V. 4. N. 6.-P. 389-392.
124. Mulder, J. J. C. The electronic structure and stability of CH+5 and CH-5 / J. J. C. Mulder, J. S. Wright // Chem. Phys. Lett. - 1970. - V. 5. N. 8. - P. 445-449.
125. Frennet, A. Collation between the catalytic! activity of metals and the surface states resulting from the reaction of the gaseous reactants and the metal / A. Frennet, G. Lienard // Surf. Sci.-1969. - V. 18. - P. 80-96.
126. Horiuti J. Theory of hydrogenation of ethylene on metallic catalysts. I. Fundamentals of analysis / J. Horiuti // Journal of The Research Institute for Catalysis Hokkaido University. - 1958.-V. 6. N. 3. - P. 250-307.
127. Wang, S. Carbon Dioxide Reforming of Methane to Produce Synthesis Gas over Metal- Supported Catalysts: State of the Art / S. Wang, G. Q. (Max) Lu // Energy Fuels. - 1996.-V. 10. - P. 896-904.
128. Khoshtinat Nikoo, M. Thermodynamic analysis of carbon dioxide reforming of methane in view of solid carbon formation / M. Khoshtinat Nikoo, N. A. S. Amin // Fuel Process. Technol. - 2011.-V. 92. - P. 678-691.
129. Ma, S. Recent progress in methane dehydroaromatization: From
laboratory curiosities to promising technology / S. Ma, X. Guo, L. Zhao, S. Scott, X. Bao // J. Energy Chem. - 2013. - V. 22. - P. 1-20.
130. Menon, U. A critical literature review of the advances in methane dehydroaromatization over multifunctional metal-promoted zeolite catalysts / U. Menon, M. Rahman, S. J. Khatib // Appl. Catal. A-Gen. - 2020. - V. 608. - P. 117870.
131. Speight J. G. The Refinery of the Future / J. G. Speight. - Elsiever, 2010. - 416 p.
132. Ахмедьянова, Р. А. Химическая технология переработки газового сырья производство мономеров из газового сырья: учебное пособие / Р. А. Ахмедьянова, А. Г. Лиакумович. - Казань: КНИТУ, 2015. - 184 с.
133. Гудков, С. Ф. Переработка углеводородов природных и попутных газов / С. Ф. Гудков. - М.: Гостоптехиздат, 1960. - 167 с.
134. Ахметов, С. А. Технология глубокой переработки нефти и газа: учебное пособие для вузов / С. А. Ахметов. - Уфа: Гилем, 2002. - 672 с.
135. Fornaciari, J. C. A Perspective on the Electrochemical Oxidation of Methane to Methanol in Membrane Electrode Assemblies / J. C. Fornaciari, D. Primc, K. Kawashima, B. R. Wygant, S. Verma,
L. Spanu, C. B. Mullins, A. T. Bell, A. Z. Weber // ACS Energy Lett. - 2020. - V. 5. - P. 2954-2963.
136. Mostaghimi, A. H. B. A review on electrocatalytic oxidation of methane to oxygenates. // A. H. B. Mostaghimi, T. A. Al-Attas, D. G. Kibria, S. Siahrostami / J. Mater. Chem. A. - 2020.- V. 8. - P. 15575.
137. Batholomew, C. H. Carbon Deposition in Steam Reforming and Methanation /
C. H. Bartholomew // Catal. Rev. -Sci. Eng. - 1982. - V. 24. - P. 67-112.
138. Kemball, C. The Catalytic Exchange of Hydrocarbons with Deuterium / C. Kemball // Adv. Catal. - 1959. - V. 11. - P. 223-262.
139. Bonhoeffer, K. F. On adsorption and reflection processes in the interaction of hydrogen and metals / K. F. Bonhoeffer, A. Farkas // Farad. Trans. - 1932. - V. 28.- P. 242-247.
140. Rideal, E. K. A note on a simple molecular mechanism for heterogeneous catalytic reactions / E. K. Rideal // Math. Proc. Cambridge Philos. Soc. - 1939. - V. 35. - P. 130-132.
141. Eley, D. D. The absolute rate of conversion of parahydrogen by metallic catalysts /D.D. Eley // Farad. Trans. 1948. - V. 44. - P. 216-226.