Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοδομημένων υλικών δημητρίου‐μαγγανίου για την προσρόφηση και ενεργοποίηση του διοξειδίου του άνθρακα

• Κύριος συγγραφέας: Ηλιακοπούλου, Σοφία
• Άλλοι συγγραφείς: Iliakopoulou, Sofia
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Οξείδιο του δημητρίου; Μεικτά οξείδια δημητρίου- μαγγανίου; Ιδιότητες υφής; Θερμοπρογραμματισμένη αναγωγή, προσρόφηση και θερμοπρογραμματισμένη εκρόφηση διοξειδίου του άνθρακα; Cerium oxide (CeO2); Cerium-manganese mixed oxides; Texture properties; CO2- adsorption and temperature programmed desorption (CO2-TPD)

Το βιοαέριο είναι το προϊόν της αναερόβιας χώνευση της βιομάζας και αποτελείται κυρίως από CH4 (35% - 70%) και CO2 (20% - 50%). Μπορεί να αξιοποιηθεί για την παραγωγή ανανεώσιμων ενεργειακών φορέων σε δύο βήματα. Το πρώτο βήμα είναι η μετατροπή του σε αέριο σύνθεσης, με το οποίο σε δεύτερο βήμα μπορούν να παραχθούν αλκοόλες ή υδρογονάνθρακες μέσω αντιδράσεων Fischer- Tropsch. Αλκοόλες και υδρογονάνθρακες αποτελούν υγρούς ενεργειακούς φορείς για συμβατικούς καυστήρες ή για κελιά καύσιμου με αναμόρφωση προς Η2. Η καταλληλότερη διαδικασία για την μετατροπή του βιοαερίου σε αέριο σύνθεσης είναι η Ξηρή Αναμόρφωση του Μεθανίου (Dry Reforming of Methane, DRM), καθώς αξιοποιεί και τα δυο κύρια συστατικά του βιοαερίου (το CH4 και το CO2). Πρόκειται για μια ισχυρά ενδόθερμη διεργασία η οποία απαιτεί την χρήση κατάλληλου καταλύτη. Οι απαιτήσεις από έναν καταλύτη είναι η μεγάλη δραστικότητα και εκλεκτικότητα, η θερμική αντοχή στις συνθήκες πραγματοποίησης της αντίδρασης, η αντίσταση στην απενεργοποίηση και το χαμηλό κόστος. Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτελεί η μελέτη καταλυτικών υλικών με αυξημένη ικανότητα προσρόφησης του διοξειδίου του άνθρακα. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν μεικτά οξείδια αποτελούμενα από CeO2 και MnO2, με μεταβαλλόμενο λόγο Ce:Mn (100:0, 95:5, 85:15 και 70:30). Αυτά τα οξείδια χρησιμοποιήθηκαν ως καταλυτικοί φορείς για καταλύτες νικελίου με σταθερό ποσοστό δραστικής φάσης (5 % Ni). Τα μεικτά οξείδια CeO2– MnO2 παρασκευάστηκαν με συγκαταβύθιση ενώ η προσθήκη του νικελίου έγινε με υγρό εμποτισμό. Για τον προσδιορισμό των φυσικοχημικών ιδιοτήτων εφαρμόστηκαν οι ακόλουθες μέθοδοι. Η μελέτη της υφής των καταλυτικών υλικών, δηλαδή προσδιορισμού της ειδικής τους επιφάνειας, του πορώδους καθώς και του μεγέθους των πόρων έγινε με προσρόφηση αζώτου σε θερμοκρασία υγρού αζώτου και εφαρμόστηκαν οι εξισώσεις Β.Ε.Τ. και B.J.H. Η κρυσταλλική δομή των υλικών μελετήθηκε με τη μέθοδο περίθλασης ακτίνων X (XRD). Για τον προσδιορισμό της επίδρασης της σύστασης στην αναγωγιμότητα των υλικών χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της Θερμοπρογραμματισμένης Αναγωγής με Η2 (TPR). Η μελέτη εστιάστηκε κυρίως στην επίδραση της σύστασης (λόγος Ce/Mn, παρουσία ή απουσία νικελίου) και της θερμικής προκατεργασίας (οξειδωτικές ή αναγωγικές συνθήκες) στην συμπεριφορά των υλικών για την προσρόφηση του διοξειδίου του άνθρακα. Μετά από θερμική κατεργασία, η θερμοκρασία μειώνεται στους 50 °C και γίνεται προσρόφηση διοξειδίου του άνθρακα, απομάκρυνση του φυσικά προσροφημένου διοξειδίου κάτω από ροή ηλίου και στη συνέχεια η θερμοκρασία αυξάνεται με 10 °C/min και καταγράφονται τα εκροφούμενα είδη με φασματογράφο μάζας. Η συμπεριφορά των υλικών όσον αφορά στην προσρόφηση και εκρόφηση του CΟ2 εξαρτάται τόσο από τη σύσταση του υλικού όσο και από τη θερμική κατεργασία. Έπειτα από θερμική κατεργασία σε οξειδωτικές συνθήκες, παρατηρείται εκρόφηση της μεγαλύτερης ποσότητας του CO2 σε θερμοκρασίες μικρότερες από τους 375 °C τόσο από τα οξείδια CeO2-MnOx όσο και από τα NiO/CeO2-MnOx. Παρατηρείται και εκρόφηση οξυγόνου τόσο στις θερμοκρασίες στις οποίες εκροφάται το CO2 όσο και σε υψηλότερες. Παρόλο που η προσθήκη οξειδίου του νικελίου μειώνει την ειδική επιφάνεια, τα οξείδια NiO/CeO2-MnOx συγκρατούν μεγαλύτερη ποσότητα CO2 σε σύγκριση με τα δυαδικά CeO2-MnOx. Δεν παρατηρείται εκρόφηση CO από κανένα υλικό. Έπειτα από θερμική κατεργασία υπό αναγωγικές συνθήκες, παρατηρείται αξιοσημείωτη εκρόφηση CO2 η οποία μετατοπίζεται προς υψηλότερες θερμοκρασίες καθώς αυξάνεται το ποσοστό του Μn στο μεικτό οξείδιο, ένδειξη ισχυρότερων θέσεων προσρόφησης. Αυτό συμβαίνει τόσο στα δυαδικά CeO2-MnOx όσο και στα οξείδια NiO/CeO2-MnOx. Παρατηρείται εκρόφηση Η2 και CO και από τις δύο σειρές υλικών. Ωστόσο, τα τριαδικά οξείδια NiO/CeO2-MnOx εκροφούν μεγαλύτερη ποσότητα CO2, Η2 και CO συγκριτικά με τα αντίστοιχα οξείδια CeO2-MnOx. Από τα τριαδικά οξείδια εκροφάται και μεθάνιο.