شیمى کاربردى روز

شیمى کاربردى روز

تبدیل کاتالیستی دی‌اکسید کربن به گاز مایع با استفاده از ZSM-5 اصلاح ‌شده با نانو ذرات مس: بررسی فعالیت و پایداری فرایند

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان
مهدی صدیقی
عباس هاشمی زاده
گروه مهندسی شیمی، دانشگاه قم، قم، ایران
10.22075/chem.2025.38646.2385
چکیده
این مطالعه به بررسی تبدیل ترموشیمیایی دی‌اکسید کربن به گاز مایع نفتی (LPG) به عنوان یک رویکرد پایدار برای جذب و استفاده از کربن می‌پردازد. در این مطالعه، این فرآیند از هیدروژناسیون کاتالیزوری بر روی یک کاتالیزور Cu/ZSM-5 استفاده می‌کند و پارامترهای واکنش مانند دما و زمان ماند به طور سیستماتیک بهینه شده‌اند. در شرایط بهینه 410 درجه سانتیگراد و زمان ماند 10 گرم در ساعت بر مول، این فرآیند به بازده تبدیل CO2 معادل 8/25% و گزینش‌پذیری LPG معادل 9/66% دست یافت که عمدتاً شامل پروپان و بوتان بود. نتایج نشان می‌دهند که دماهای بالاتر تبدیل CO2 را افزایش می‌دهند اما تولید ناخواسته CO را از طریق واکنش شیفت آب-گاز معکوس بیشتر می‌کنند، که بر لزوم کنترل دقیق دما تأکید دارد. این تحقیق پتانسیل تبدیل ترموشیمیایی CO2 را به عنوان یک مسیر مطلوب برای تولید LPG تجدیدپذیر برجسته می‌کند و به سیستم‌های انرژی پاک‌تر و کاهش گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کند. این یافته‌ها بینش‌های ارزشمندی را برای پیشرفت فناوری‌های سوخت پایدار و ادغام راهکارهای کربن-خنثی در بخش انرژی ارائه می‌دهند.
کلیدواژه‌ها
دی اکسید کربن
کاتالیزر
هیدروژناسیون
زئولیت
زمان اقامت
موضوعات

عنوان مقاله English

Catalytic Conversion of Carbon Dioxide to Liquefied Gas Using Copper Nanoparticle-Modified ZSM-5: Investigation of Process Activity and Stability

نویسندگان English

Mehdi Sedighi
Abbas Hashemizadeh
Chemical Engineering Department, University of Qom, Iran
چکیده English

This study explores the thermochemical conversion of carbon dioxide into liquefied petroleum gas (LPG) as a sustainable strategy for carbon capture and utilization. The process employs catalytic hydrogenation over a Cu/ZSM-5 catalyst, with key reaction parameters—including temperature and residence time—systematically optimized. Under optimal conditions of 410 °C and a residence time of 10 g h⁻¹ mol⁻¹, a CO₂ conversion of 25.8% and an LPG selectivity of 66.9% were achieved, with the primary products being propane and butane. Results reveal that higher reaction temperatures enhance CO₂ conversion but simultaneously increase the undesired formation of CO via the reverse water–gas shift reaction, underscoring the importance of precise temperature control. Overall, the findings highlight thermochemical CO₂ conversion as a promising pathway for renewable LPG production, with significant potential to support cleaner energy systems and reduce greenhouse gas emissions. These insights contribute to the advancement of sustainable fuel technologies and the integration of carbon-neutral solutions into the energy sector.

کلیدواژه‌ها English

Carbon dioxide (CO₂)
Catalyst
Hydrogenation
Zeolite
Residence time
[1] Li, W., Wang, H., Jiang, X., Zhu, J., Liu, Z., Guo, X., & Song, C. (2018). A short review of recent advances in CO 2 hydrogenation to hydrocarbons over heterogeneous catalysts. RSC advances, 8(14), 7651-7669.
[2] Yazdani, M., Haghighi, M., & Aghamohammadi, S. (2017). Effect of mixing on hydrothermal synthesis of nanostructured ZnAPSO-34 catalyst used in conversion of methanol to ethylene and propylene. Applied Chemistry Today, 12(42), 87-108.
[3] Souri, T., Haghighi, M., & Aghamohammadi, S. (2013). TEA/MOR Mixed Template Synthesis of Nanostructured SAPO-34 Molecular Sieve with Various Ratios Used in Conversion of Methanol to Ethylene and Propylene. Applied Chemistry Today, 8(28), 41-56.
[4] Ghanimati, M., Lashgari, M., Montagnaro, F., Balsamo, M., & Takeguchi, M. (2025). Targeted synthesis of adsorptive nanocomposite photocatalyst for conversion of dangerous H2S gas to clean fuel. Applied Chemistry Today, 20(74), 69-86.
[5] Nie, X., Li, W., Jiang, X., Guo, X., & Song, C. (2019). Recent advances in catalytic CO2 hydrogenation to alcohols and hydrocarbons. Advances in catalysis, 65, 121-233.
[6] Saeidi, S., Najari, S., Fazlollahi, F., Nikoo, M. K., Sefidkon, F., Klemeš, J. J., & Baxter, L. L. (2017). Mechanisms and kinetics of CO2 hydrogenation to value-added products: A detailed review on current status and future trends. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 80, 1292-1311.
[7] Lu, B., Han, Z., Zhi, X., & Zhang, L. (2024). CeO2-confined Ni-Fe alloy enhanced high-temperature CO2 hydrogenation to CO. Chemical Engineering Journal, 500, 156844.
[8] Kim, J. S., Lee, S., Lee, S. B., Choi, M. J., & Lee, K. W. (2006). Performance of catalytic reactors for the hydrogenation of CO2 to hydrocarbons. Catalysis Today, 115(1-4), 228-234.
[9] He, Z., Cui, M., Qian, Q., Zhang, J., Liu, H., & Han, B. (2019). Synthesis of liquid fuel via direct hydrogenation of CO2. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(26), 12654-12659.
[10] Rodemerck, U., Holeňa, M., Wagner, E., Smejkal, Q., Barkschat, A., & Baerns, M. (2013). Catalyst development for CO2 hydrogenation to fuels. ChemCatChem, 5(7), 1948-1955.
[11] Salehirad, A., Parvini, M., Abousi, L., & Abedi, M. (2015). Influence of fabrication method on structural properties and catalytic activity of Fe-Cr-Cu nanocatalyst for hydrogen production from carbon monoxide and steam. Applied Chemistry Today, 10(36), 133-146.
[12] Rahnemaye Rahsepar, F., Al-Dalawi, S. M., & Farajzadeh, M. (2024). Synthesis and Investigation of Properties of Reduced Graphene Oxide Modified Using L-lysine and Copper for Oxygen and Hydrogen Evolution Reactions. Applied Chemistry Today, 19(71), 201-222.
[13] Fujiwara, M., Satake, T., Shiokawa, K., & Sakurai, H. (2015). CO2 hydrogenation for C2+ hydrocarbon synthesis over composite catalyst using surface modified HB zeolite. Applied Catalysis B: Environmental, 179, 37-43.
[14] Ye, R. P., Ding, J., Gong, W., Argyle, M. D., Zhong, Q., Wang, Y., ... & Yao, Y. G. (2019). CO2 hydrogenation to high-value products via heterogeneous catalysis. Nature communications, 10(1), 5698.
[15] Han, W. A. N. G., Sheng, F. A. N., Sen, W. A. N. G., Mei, D. O. N. G., Zhang-feng, Q. I. N., Wei-bin, F. A. N., & Jian-guo, W. A. N. G. (2021). Research progresses in the hydrogenation of carbon dioxide to certain hydrocarbon products. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 49(11), 1609-1619.
[16] Gao, P., Zhang, L., Li, S., Zhou, Z., & Sun, Y. (2020). Novel heterogeneous catalysts for CO2 hydrogenation to liquid fuels. ACS Central Science, 6(10), 1657-1670.
[17] Mohammadi, M., & Sedighi, M. (2023). Optimizing the CO2 conversion for the sustainable production of light olefins using Cu-ZnO-ZrO2/SAPO-34 bifunctional catalysts. Process Safety and Environmental Protection, 176, 605-617.
[18] Saeidi, S., Najari, S., Hessel, V., Wilson, K., Keil, F. J., Concepción, P., ... & Rodrigues, A. E. (2021). Recent advances in CO2 hydrogenation to value-added products—Current challenges and future directions. Progress in Energy and Combustion Science, 85, 100905.
[19] Satthawong, R., Koizumi, N., Song, C., & Prasassarakich, P. (2014). Comparative study on CO2 hydrogenation to higher hydrocarbons over Fe-based bimetallic catalysts. Topics in Catalysis, 57(6), 588-594.
[20] Heyl, D., Rodemerck, U., & Bentrup, U. (2016). Mechanistic study of low-temperature CO2 hydrogenation over modified Rh/Al2O3 catalysts. Acs Catalysis, 6(9), 6275-6284.
[21] Shi, Z., Tan, Q., Tian, C., Pan, Y., Sun, X., Zhang, J., & Wu, D. (2019). CO2 hydrogenation to methanol over Cu-In intermetallic catalysts: Effect of reduction temperature. Journal of Catalysis, 379, 78-89.
[22] Saeidi, S., Amin, N. A. S., & Rahimpour, M. R. (2014). Hydrogenation of CO2 to value-added products—A review and potential future developments. Journal of CO2 utilization, 5, 66-81.
[23] Ni, Y., Chen, Z., Fu, Y., Liu, Y., Zhu, W., & Liu, Z. (2018). Selective conversion of CO2 and H2 into aromatics. Nature communications, 9(1), 3457.
شیمى کاربردى روز
دوره 20، شماره 76
پاییز 1404
صفحه 183-194