Ηλεκτροχημική ενίσχυση της ξηρής αναμόρφωσης του μεθανίου σε καταλυτική επιφάνεια Ru εναποτεθειμένη σε στερεό ηλεκτρολύτη BZY
Loading...
Date
2024-10-18
Authors
Ζαφειράκη, Αλεξάνδρα
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η ξηρή αναμόρφωση του μεθανίου αποτελεί μία αντίδραση με ιδιαίτερα αυξημένο περιβαλλοντικό ενδιαφέρον κατά τα τελευταία χρόνια, καθώς αξιοποιεί τους δύο βασικότερους αέριους ρύπους του θερμοκηπίου, το CH4 και το CO2. Κύριο προϊόν της συγκεκριμένης αντίδρασης είναι το αέριο μίγμα CO και H2 , γνωστό και ως syngas, το οποίο αποτελεί πρώτη ύλη για την παραγωγή ζωτικής σημασίας βιομηχανικών προϊόντων. Η σημαντικότερη πρόκληση στην αντίδραση αυτή είναι η ισχυρά ενδόθερμη φύση της, η οποία την καθιστά δύσκολα εφαρμόσιμη σε βιομηχανική κλίμακα. Βασικό αντικείμενο μελέτης αποτελεί η εύρεση κατάλληλων καταλυτών, υποστρωμάτων και προωθητών, οι οποίοι θα συμβάλουν τόσο στην επίτευξη της παραπάνω αντίδρασης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, όσο και στην ελαχιστοποίηση της ανταγωνιστικής δράσης της αντίδρασης της αντίστροφης μετατόπισης του μονοξειδίου του άνθρακα με ατμό (RWGS). Μία ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα προσέγγιση της κλασσικής κατάλυσης, η οποία αξιολογείται διαρκώς σε ποικίλα καταλυτικά συστήματα αντιδράσεων, αποτελεί η χρήση του φαινομένου της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης της Κατάλυσης (EPOC) ή αλλιώς Μη-Φαρανταϊκή Τροποποίηση της Καταλυτικής Ενεργότητας, (φαινόμενο NEMCA). Η αρχή λειτουργίας του παραπάνω φαινομένου βασίζεται στην μεταβολή του παρατηρούμενου ρυθμού μίας καταλυτικής αντίδρασης μέσω της επιβολής μικρών δυναμικών ή ρευμάτων. Συγκεκριμένα, με την χρήση ενός ιοντικά αγώγιμου στερεού ηλεκτρολύτη πάνω στον οποίο εναποτίθεται ένα καταλυτικό υμένιο και κατά την διάρκεια πόλωσης, δημιουργείται μία ισοδύναμη ηλεκτροχημική διπλοστοιβάδα, η οποία ευθύνεται για τις μεταβολές στο έργο εξόδου του καταλύτη και, κατ’ επέκταση, των καταλυτικών του ιδιοτήτων. Στην παρούσα έρευνα, μελετήθηκε η ηλεκτροχημική ενίσχυση της ξηρής αναμόρφωσης του μεθανίου σε καταλυτικό υμένιο ρουθηνίου (Ru) εναποτεθειμένο σε στερεό ηλεκτρολύτη BaZr0.8Y0.2O3-δ (BZY), τύπου πρωτονιακού αγωγού, με χρήση αντιδραστήρα μονού θαλάμου. Για τους σκοπούς της έρευνας, παρασκευάστηκαν δύο καταλυτικά δείγματα μεταλλικής φόρτισης 2.3 mg και 1.3 mg Ru αντίστοιχα και μελετήθηκαν υπό συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης, σε θερμοκρασιακό εύρος 260-440οC, για σταθερή ογκομετρική παροχή 200 cm3/min και σε τρείς διαφορετικές αναλογίες αντιδρώντος μίγματος (αναγωγικές PCO2:PCH4= 1:4, στοιχειομετρικές PCO2:PCH4= 1:1 και PCO2:PCH4= 2:2, οξειδωτικές PCO2:PCH4= 2:1). Η επιλογή του Ru ως καταλύτη στις εργαστηριακές μελέτες της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης της κατάλυσης ενδείκνυται λόγω της αυξημένης δραστικότητας του και των χαμηλών ποσοστών εναπόθεσης άνθρακα, ο οποίος αναστέλλει την απενεργοποίηση του. Για την εκπόνηση των βασικών αποτελεσμάτων της παρούσας έρευνας πραγματοποιήθηκαν όμοιοι καταλυτικοί και ηλεκτροχημικοί κύκλοι πειραμάτων στα δύο δείγματα. Συγκεκριμένα, στο καταλυτικό σύστημα 2.3 mg Ru εναποτεθειμένου σε BZY ηλεκτρολύτη σημειώθηκε 10 % μετατροπή του CO2 σε αξιοσημείωτα για την υπό μελέτη αντίδραση χαμηλή θερμοκρασία (⁓ 380 oC), ενώ και στο μικρότερο δείγμα καταλύτη (1.3 mg Ru) κατά την ηλεκτροχημική ενίσχυση της αντίδρασης μέσω της εφαρμογής θετικής πόλωσης (U = + 1 V) παρατηρήθηκαν αρκετά ικανοποιητικοί λόγοι αέριων προϊόντων H2/CO (⁓0.4) σε εξίσου χαμηλή θερμοκρασία (400 oC).
Description
Keywords
Ηλεκτροχημεία, Ηλεκτροχημική ενίσχυση κατάλυσης, Ρουθήνιο, Ξηρή αναμόρφωση μεθανίου