Μελέτη της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης της ξηρής αναμόρφωσης του μεθανίου σε καταλύτη Ir/YSZ
Loading...
Date
2026-07-06
Authors
Ελευθερίου, Εμμανουήλ
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η ξηρή αναμόρφωση του μεθανίου (DRM) συγκεντρώνει τα τελευταία χρόνια ιδιαίτεροεπιστημονικό και περιβαλλοντικό ενδιαφέρον, καθώς αξιοποιεί ως αντιδρώντα δύο από τα σημαντικότερα αέρια του θερμοκηπίου, το μεθάνιο (CH4) και το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) μετατρέποντάς τα σε αέριο σύνθεσης (syngas), ένα μίγμα CO και H2, που αποτελεί βασική πρώτη ύλη για πληθώρα βιομηχανικών διεργασιών. Η κύρια πρόκληση της αντίδρασης είναι ο έντονα ενδόθερμος χαρακτήρας της, ο οποίος απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, παράλληλες αντιδράσεις όπως η RWGS που μειώνουν το λόγο των προϊόντων H2/CO, καθώς και η τάση εναπόθεσης άνθρακα που οδηγεί σε απενεργοποίηση του καταλύτη. Για τον λόγο αυτό, η έρευνα στρέφεται στην εύρεση καταλυτικών συστημάτων που επιτρέπουν τη διεξαγωγή της σεχαμηλότερες θερμοκρασίες, περιορίζοντας παράλληλα τη συνεισφορά της ανταγωνιστικής αντίδρασης αντίστροφης μετατόπισης του CO με ατμό (RWGS). Μια ελπιδοφόρα προσέγγιση προς αυτή την κατεύθυνση είναι η αξιοποίηση του φαινομένου της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης της Κατάλυσης (EPOC), γνωστού και ως μη-φαρανταϊκής τροποποίησης της καταλυτικής ενεργότητας (NEMCA). Σύμφωνα με αυτό, η επιβολή μικρών δυναμικών ή ρευμάτων σε αγώγιμο καταλυτικό υμένιο εναποτεθειμένο σε ιοντικά αγώγιμο στερεό ηλεκτρολύτη προκαλεί τη μετανάστευση ιοντικών ειδών προς ή από την καταλυτική επιφάνεια και τον σχηματισμό ισοδύναμηςηλεκτροχημικής διπλοστοιβάδας. Η διπλοστοιβάδα αυτή μεταβάλλει ελεγχόμενα και αντιστρεπτά το έργο εξόδου του καταλύτη, τροποποιώντας την ισχύ ρόφησης των αντιδρώντων και, κατ’ επέκταση, τον καταλυτικό ρυθμό. Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκε η ηλεκτροχημική ενίσχυση της DRM σε καταλυτικό υμένιο ιριδίου (Ir) εναποτεθειμένο σε στερεό ηλεκτρολύτησταθεροποιημένης με ύττρια ζιρκονίας (YSZ), αγωγό ιόντων οξυγόνου O2-, με χρήση αντιδραστήρα μονού θαλάμου. Τα πειράματα διεξήχθησαν υπό ατμοσφαιρική πίεση, σε θερμοκρασιακό εύρος 380-440oC σημαντικά χαμηλότερο από τις θερμοκρασίες άνω των 600 oC που αναφέρονται τυπικά στη βιβλιογραφία, και σε τρεις διαφορετικές αναλογίες τροφοδοσίας: αναγωγικές (PCO2:PCH4 = 1:4), στοιχειομετρικές (PCO2:PCH4 = 1:1) και οξειδωτικές (PCO2:PCH4 = 2:1),. Σε κάθε περίπτωση πραγματοποιήθηκαν όμοιοι κύκλοι κινητικών και ηλεκτροχημικών πειραμάτων, ώστε ναυπολογιστούν κοινές και συγκρίσιμες παράμετροι (ρυθμοί, εκλεκτικότητες, λόγος προσαύξησης του ρυθμού, ρ και λόγος H2/CO). Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι τόσο η DRM όσο και η RWGS εμφανίζουν ηλεκτρόφοβη συμπεριφορά: ο ρυθμός τους ενισχύεται υπό θετική επιβολή (ρ > 1) και μειώνεται υπό αρνητική (ρ < 1), σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία. Η ενισχυτική δράση της θετικής πόλωσης ευνοεί εντονότερα την DRM έναντι της RWGS, οδηγώντας σε αύξηση του λόγου H2/CO.Παράλληλα, υπό αναγωγικές συνθήκες παρατηρήθηκε εντονότερη απενεργοποίηση τουκαταλύτη, η οποία αποδόθηκε σε αυξημένη εναπόθεση άνθρακα και επιβεβαιώθηκε ποσοτικά μέσω της οξείδωσης του εναποτεθειμένου άνθρακα, καθώς και από την ανάλυση μεφασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS), η οποία ανέδειξε τη μεγαλύτερη συσσώρευση άνθρακα στις αναγωγικές συνθήκες, με το ιρίδιο να βρίσκεται στη μεταλλική του κατάσταση.Επιπλέον, ο καταλύτης χαρακτηρίστηκε με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) μετά την παρασκευή του, ώστε να επιβεβαιωθούν οι αναμενόμενες κρυσταλλικές φάσεις (Ir, IrO2 και YSZ) και να υπολογιστεί το μέσο μέγεθος των κρυσταλλιτών μέσω της εξίσωσης Scherrer.
Description
Keywords
Ηλεκτροχημεία, Ηλεκτροχημική ενίσχυση της κατάλυσης, Ιρίδιο, Ξηρή αναμόρφωση του μεθανίου