Παρουσίαση Μεταπτυχιακής διατριβής της κας Μαρίας Χατζησυμεών

"Καταλυτική υδρογόνωση του CO2 σε υποστηριγμένους καταλύτες Ni και Ru"

με θέμα Καταλυτική υδρογόνωση του CO2 σε υποστηριγμένους καταλύτες Ni και Ru

Τρίτη 30 Οκτωβρίου 2018, Ώρα:9:30 Αίθουσα: Κ2.Α3

Εξεταστική Επιτροπή

  • Επίκουρη Καθηγήτρια Παρασκευή Παναγιωτοπούλου (Επιβλέπουσα)
  • Καθηγητής Ιωάννης Γεντεκάκης
  • Επίκουρος Καθηγητής Νικόλαος Ξεκουκουλωτάκης

Περίληψη:

Το CO2 αποτελεί ένα από τα βασικά αέρια του θερμοκηπίου, το οποίο θεωρείται υπεύθυνο για την υπερθέρμανση του πλανήτη και κατ’ επέκταση την πρόκληση σοβαρών κλιματικών αλλαγών. Για τον λόγο αυτόν, στις μέρες μας γίνονται προσπάθειες για την ανάπτυξη οικονομικά αποδοτικών και φιλικών προς το περιβάλλον τεχνολογιών για την ελαχιστοποίηση και την αξιοποίηση του CO2. Ανάμεσα στις τεχνολογίες που έχουν προταθεί, ενδιαφέρον παρουσιάζει η καταλυτική υδρογόνωση του CO2, η οποία ανάλογα με τις συνθήκες αντίδρασης και τον καταλύτη που χρησιμοποιείται μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή ποικίλων χρήσιμων χημικών προϊόντων. Η παραγωγή μεθανίου από το CO2 μπορεί να προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα με την προϋπόθεση ότι το υδρογόνο που χρησιμοποιείται έχει παραχθεί από ανανεώσιμες πηγές. Συγκεκριμένα, το μεθάνιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν συνθετικό υποκατάστατο του φυσικού αερίου στη χημική και πετροχημική βιομηχανία ή/και ως φορέας ενέργειας στις μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ακολουθώντας ευρέως γνωστές και καθιερωμένες μεθόδους για τη μεταφορά και αποθήκευση του.

Στην παρούσα εργασία μελετάται η επίδραση της φύσης του φορέα στην καταλυτική ενεργότητα και εκλεκτικότητα καταλυτών νικελίου (Ni) και ρουθηνίου (Ru) για την αντίδραση μεθανοποίησης του CO2. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε η χρήση διαφόρων οξειδίων μετάλλων (Al2O3, CeO2, ZrO2, YSZ, TiO2) ως φορείς καθώς και η δυνατότητα βελτίωσης της συμπεριφοράς καταλυτών Ru/TiO2 και Ni/TiO2 μέσω ενίσχυσης του TiO2 με μικρές ποσότητες (0.2 wt.%) μετάλλων (Ce, Zr, La, Ca, Ba). Επιπλέον, μελετήθηκε η δυνατότητα χρήσης διμεταλλικών συστημάτων (Ni-Ru)  υποστηριγμένων σε φορέα (TiO2) για την εν λόγω αντίδραση καθώς και η επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων της αντίδρασης στην ενεργότητα και εκλεκτικότητα καταλύτη 5%Ni/CeO2.  Οι καταλύτες παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο του υγρού εμποτισμού και χαρακτηρίστηκαν με τις τεχνικές φυσικής ρόφησης σε θερμοκρασία υγρού αζώτου (BET) και περίθλασης ακτινών X (XRD). Η καταλυτική συμπεριφορά των υλικών μελετήθηκε στην θερμοκρασιακή περιοχή 150-450 οC, με τροφοδοσία αποτελούμενη από 5%CO2 και 20%H2 (σε He).

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η  φύση του φορέα επηρεάζει σημαντικά την καταλυτική συμπεριφορά, η οποία ακολουθεί τη σειρά 5%Ni/CeO2 > 5%Ni/ZrO2 >5%Ni/Al2O3 ~5%Ni/YSZ >5%Ni/TiO2. Τόσο η ενεργότητα όσο και η εκλεκτικότητα σε μεθάνιο καταλυτών Ni δεν φαίνεται να βελτιώνεται σημαντικά με την προσθήκη ενισχυτών (0.2 wt.%) Νa και Zr στον φορέα TiO2. Αντιθέτως, η προσθήκη ενισχυτών Ce, Zr, La, Ca και Ba στην επιφάνεια του TiO2 οδήγησε σε σημαντική αύξηση της ενεργότητας καταλυτών Ru, με τον καταλύτη Ru/0.2%Ce-TiO2 να παρουσιάζει την βέλτιστη συμπεριφορά. Για τον λόγο αυτόν, εξετάστηκε η επίδραση της περιεκτικότητας του Ce, η οποία δεν φάνηκε να παρουσιάζει κάποια τάση σε σχέση με την καταλυτική ενεργότητα. Η χρήση διμεταλλικών καταλυτών Ni-Ru/TiO2 είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση της μετατροπής του CO2 σε CH4, η οποία βρέθηκε να αυξάνεται προοδευτικά καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα σε Ru από 0.25 σε 1 wt.%. Ωστόσο, ο μονομεταλλικός καταλύτης 1%Ru/TiO2 παρουσίασε σημαντικά υψηλότερη καταλυτική ενεργότητα σε σύγκριση με εκείνη των διμεταλλικών συστημάτων.  Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων στην συμπεριφορά του καταλύτη 5%Ni/CeO2 και βρέθηκε ότι η μετατροπή του CO2 σε CH4 αυξάνεται με μείωση της ταχύτητας χώρου και αύξηση του μοριακού λόγου Η2/CO2 στην τροφοδοσία. Ο καταλύτης 5%Ni/CeO2 παρουσίασε, εκτός από υψηλή ενεργότητα και εκλεκτικότητα, εξαιρετική σταθερότητα για περισσότερο από  30 ώρες αντίδρασης, φανερώνοντας ότι είναι ένας πολλά υποσχόμενος καταλύτης για την αντίδραση υδρογόνωσης του CO2.