تولید هیدروژن با استفاده از فرایند انتقال آب ـ گاز بر روی نانوکاتالیست های فلزهای نجیب بر پایه آلومینیوم اکسید پایدار شده با منیزیم اکسید

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

کاشان، دانشگاه کاشان، دانشکده مهندسی شیمی، آزمایشگاه کاتالیست و مواد پیشرفته

چکیده

فرایند انتقال آب ـ گاز یکی از قدیمی ترین واکنش ‌های کاتالیستی ناهمگن می‌ باشد که در صنعت برای تولید هیدروژن با خلوص بالا و کاهش کربن مونوکسید از گاز سنتز به‌کار می ‌رود. در این پژوهش، نانوکاتالیست های فلزهای نجیب (Pt، Ir، Rh، Ru و Pd) بر روی پایه آلومینیوم اکسید پایدار شده با منیزیم اکسید ساخته شد و در فرایند انتقال آب – گاز دما بالا برای تولید هیدروژن با خلوص بالا به‌ کار گرفته شد. کاتالیست‌ های تهیه شده با روش‌های پراش پرتو اشعه ایکس (XRD)، اندازه‌گیری مساحت سطح با روش جذب‌سطحی نیتروژن (BET)، آنالیز احیای برنامه ریزی شده دمایی (TPR)، جذب شیمیایی هیدروژن سولفید و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) مورد ارزیابی قرار گرفتند. بررسی ویژگی‌ های ساختاری کاتالیست های تهیه شده بیانگر آن بود که کاتالیست ‌ها دارای مساحت سطحی در بازه ‌ی 85 تا /g2m 179 هستند. آنالیز TEM این کاتالیست‌ ها نیز نشان دهنده ساختار نانوبلورهای با متوسط اندازه کوچک تر از 5 نانومتر می‌ باشد که نتیجه‌های به ‌دست آمده در تطابق با نتیجه‌ های به‌ دست آمده از آنالیز جذب شیمیایی هیدروژن سولفید برای محاسبه اندازه بلوری فلز فعال می باشد. همچنین بررسی فعالیت کاتالیست ‌ها در فرایند انتقال آب گاز نشان داد که از میان کاتالیست ‌های ساخته شده، تبدیل کربن مونوکسید بر روی کاتالیست‌ های Rh و Ru بیش ‌تر بوده که ناشی از انجام همزمان واکنش جانبی متاناسیون می ‌باشد. نتیجه ‌های کاتالیستی نشان داد که میزان تشکیل متان بر روی کاتالیست Pt  ناچیز بوده و می‌توان چنین بیان کرد که تمام تبدیل کربن مونوکسید برروی این کاتالیست مربوط به واکنش انتقال آب – گاز می ‌باشد. افزون بر این، کاتالیست Pt در مدت زمان 10 ساعت فعالیت پایداری را بدون کاهش در میزان تبدیل مونوکسید کربن نمایش داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Holladay J.D., Hu J., King D.L., Wang Y., An Overview of Hydrogen Production Technologies, Catal. Today, 139: 244-260 (2009).

[2] Deshpande P. A., Hegde M.S., Madras G., Pd and Pt Ions as Highly Active Sites for the Water–Gas Shift Raction Ove Rcombustion Synthe Sized Zirconia and Zirconi a-Modified Ceria, Applied Catalysis B: Environmental ,96: 83-93 (2010)

[3] Meshkani F., Rezaei M., Preparation of Mesoporous Nanocrystalline Iron Based Catalysts for High Temperature Water Gas Shift Reaction: Effect of Preparation Factors, Chemical Engineering Journal, 260: 107-116 (2015).

[4] Ratnasamy Ch., Wagner. J.P., Water Gas Shift Catalysis, Catalysis Reviews, 51:325-440 (2009)

[5] Meshkani F., Rezaei M., High Temperature Water Gas Shift Reaction Over Promoted Iron Based Catalysts Prepared by Pyrolysis Method, International Journal of Hydrogen Energy, 39: 16318-16328 (2014).

[6] Song Ch., Fuel Processing for Low-Temperature and High-Temperature Fuel Cells Challenges, and Opportunities for Sustainable Development in the 21st Century, Catalysis Today, 77: 17-49 (2002).

[7] Lin J-H, Biswas P., Guliants V. V., Misture S., Hydrogen Production by Water–Gas Shift Reaction Over Bimetallic Cu–Ni Catalysts Supported on La-Doped Mesoporous Ceria, Applied Catalysis A: General 387: 87-94 (2010).

[8] Evin H.N., Jacobs G., Ruiz-Martinez J., Graham U.M., Dozier A., Thomas G., Davis B.H., Low Temperature Water-Gas Shift/Methanol Steam Reforming: Alkali Doping to Facilitate the Scission of Formate and Methoxy C-H Bonds over Pt/ceria Catalyst, Catal. Lett. 122: 166-178 (2008).

[9] Panagiotopoulou P., Kondarides D.I., Effects of Alkali-Promotion of TiO2 on the Chemisorptive Properties and Water-Gas Shift Activity of Supported Noble Metal Catalysts, J. Catal., 267 : 57-66 (2009).

[10] Pigos J.M., Brooks C.J., Jacobs G., Davis B.H., Low Temperature Water Gas Shift: Characterization of Pt-Based ZrO2 Catalyst Promoted with Na Discovered by Combinatorial Methods, Appl. Catal., A, 319: 47-57 (2007).

[11] Zhai Y.P., Pierre D., Si R., Deng W.L., Ferrin P., Nilekar A.U., Peng G.W., Herron J.A., Bell D.C., Saltsburg H., Mavrikakis M., Flytzani-Stephanopoulos M.,Alkali-Stabilized Pt-OHx Species Catalyze Low-Temperature Water-Gas Shift Reactions,  Science, 329: 1633-1636 (2010).

[12] شهیدیان, زهرا؛ پاپن، آزاده، حذف کروم شش ظرفیتی توسط نانو ذره های فریت، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4)33 : 53 تا 60 (1393).

[13] م.خواجه نوری, م. رضایی ، ف. مشکانی، بررسی تأثیر مواد فعال سطحی بر ساختار و فعالیت کاتالیست نیکل بر پایه منیزیم اکسید در فرایند ریفرمینگ خشک متان، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (1)35 :71 تا 81 (1395).

[14] Wang XH, Lu GZ, Guo Y, Jiang LZ, Guo YL, Li CZ , Effect of Additives on the Structure Characteristics, Thermal Stability, Reducibility and Catalytic Activity of CeO2–ZrO2 Solid Solution for Methane Combustion , J. Mater. Sci., 44(5):1294-1301 (2009).

[15] Gorte R.J., Ceria in Catalysis: From Automotive Applications to the Water–Gas Shift Reaction,  AIChE J., 56(5):1126- 1135 (2010).

[16] Gorte R.J., Zhao S., Studies of the Water-Gas-Shift Reaction with Ceria-Supported Precious Metals, Catal Today, 104(1):18- 24 (2005).

[17] Bunluesin T., GoTte R.J., Graham G.W., Studies of the Water-Gas-Shift Reaction on Ceria-Supported Pt, Pd, and Rh: Implications for Oxygen-Storage Properties, Applied Catalysis B: Environmental 15 107-l 14, (1998).

[18] Liang H., Raitano J. M., He G., Akey A. J. , Herman I. P., Zhang L., Chan S-W , Aqueous
Co-Precipitation of Pd-Doped Cerium Oxide Nanoparticles:Chemistry, Structure, and Particle Growth
, J. Mater. Sci., 47:299-307 (2012).

[19] Evin H.N., Jacobs G., Ruiz-Martinez J., Thomas G.A., Davis B.H., Low Temperature Water–Gas Shift: Alkali Doping to Facilitate Formate C–H Bond Cleaving over Pt/Ceria Catalysts—An Optimization Problem, Catal. Lett. 120: 166–178 (2008).

[20] Zhu X., Shen M., Lobban L.L., Mallinson R.G.,Structural Effects of Na Promotion for High Water Gas Shift Activity on Pt-Na/TiO2, J. Catal., 278:123-132 (2011).

[21] Pazmiño J.H., Shekhar M., Williams W.D., Akatay M.C., Miller J.T., Delgass W.N., Ribeiro F.H., Metallic Pt as Active Sites for the Water–Gas Shift Reaction on Alkali-Promoted Supported Catalysts, Journal of Catalysis, 286 279-286 (2012).

[22] Evin H.N., Jacobs G., Ruiz-Martinez J., Graham U.M., Dozier A., Thomas G., Davis B.H., Low Temperature Water–Gas Shift/Methanol Steam Reforming: Alkali Doping to Facilitate the Scission of Formate and Methoxy C–H Bonds over Pt/ceria Catalyst, Catal. Lett. 122: 9-19 (2008).

[23] Pigos J.M., Brooks C.J., Jacobs G., Davis B.H., Low Temperature Water-Gas Shift: Characterization of Pt-Based ZrO2 Catalyst Promoted with Na Discovered by Combinatorial Methods,  Appl. Catal., A 319: 47-57 (2007)

[24] Pigos J.M., Brooks C.J., Jacobs G., Davis B.H.,Low Temperature Water–Gas Shift: The Effect of Alkali Doping on the CH Bond of Formate over Pt/ZrO2 Catalysts, Appl. Catal., A 328: 14–26 (2007).

[25] Rezaei M., Alavi S. M., Sahebdelfar S. Yan, Zi-Feng, Syngas Production by Methane Reforming with CarbonDioxide on Noble Metal Catalysts, Journal of Natural Gas Chemistry, 15: 327-334 (2006).

[26] Nematollahi B., Mehran Rezaei M., Khajenoori M., Combined Dry Reforming and Ppartial Oxidation of Methane to Synthesis Gas on Noble Metal Catalysts, International Journal of Hydrogen Energy, 36: 2969-2978 (2011).

[27] Khajenoori M, Rezaei M, Nematollahi B. Preparation of Noble Metal Nanocatalysts and their Applications in Catalytic Partial Oxidation of Methane, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 19: 981-986 (2013).

[28] Rostrup-Nielsen J.R., “Catalytic Steam Reforming”, Spriger-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo (1984).

[29] Dallabetta R.A., Piken A.G., Shelef M., Heterogeneous Methanation-Steadystate Rate of CO Hydrogenation on Supported Ruthenium, Nickel and Rhenium, J. Catal., 40: 173-183 (1975).

[30] Utaka T., Okanishi T., Takeguchi T., Kikuchi R., Eguchi K., Water Gas Shiftreaction of Reformed Fuel over Supported Ru Catalysts, Appl. Catal. A - Gen., 245: 343-351 (2003).

[31] Panagiotopoulou P., Kondarides D.I., Effect of Morphological Characteristics of TiO2-Supported Noble Metal Catalysts on Their Activity for the Water–Gas Shift Reaction, J. Catal. 225: 327-336 (2004).