Projekti / Programi
Razvoj katalizatorja na osnovi kovin prehoda za učinkovito pretvorbo bioplina v sintezni plin
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.04 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
Kataliza in reakcijsko inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T350 |
Tehnološke vede |
Kemijska tehnologija in inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.04 |
Tehniške in tehnološke vede |
Kemijsko inženirstvo |
katalizatorji na osnovi kovin prehoda, bioplin, reforming, sintezni plin
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
28557 |
dr. Petar Djinović |
Kemijsko inženirstvo |
Vodja |
2013 - 2015 |
0 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
10 |
Povzetek
Obetaven proces za pridobivanje sinteznega plina je katalitski reforming metana z ogljikovim dioksidom, znan tudi kot suhi reforming metana (CH4 + CO2 ↔ 2H2 + 2CO).
Zaradi izjemnega pomena neposredne katalitske pretvorbe bioplina v sintezni plin, katerega bi omogočalo odkritje katalizatorjev, osnovanih na kovinah prehoda, ki bi izkazovali visoko odpornost na poogljičenje, bodo le-ti preučevani tekom predlaganega temeljnega podoktorskega projekta. Pozornost bo usmerjena k sintezi, karakterizaciji, razumevanju delovanja in optimizaciji teh katalizatorjev pri reakciji suhega reforminga metana v širokem temperaturnem območju.
Poleg aktivne komponente katalizatorja (nanodelci kovine) igra pomembno vlogo tudi nosilec katalizatorja, na katerem so ti nanodelci naneseni-dispergirani. Cerijev dioksid (CeO2) zaradi svoje edinstvene lastnosti, da v oksidativni in reduktivni atmosferi deluje kot rezervoar kisika, omogoča sprotno oksidacijo na površini katalizatorja deponiranega ogljika. Zgoraj omenjena lastnost je prvenstveni razlog, zaradi katere bo kot nosilec katalizatorja uporabljen CeO2. Z namenom premostiti nizko specifično površino in relativno slabo termično stabilnost tega oksidnega materiala bo njegova termična stabilnost izboljšana z dodatkom 20 utežnih odstotkov cirkonijevega oksida (ZrO2). Sprva bo preiskovan sintezni postopek, s katerim bo mogoče pripraviti mešani CeO2/ZrO2 oksidni nosilec, ki bo izkazoval visoko specifično površino, dobro termično stabilnost v območju med 500 in 800° C in defektno struktura materiala.
Po izolaciji ustrezne metode in pogojev sinteze CeO2/ZrO2 nosilca bo raziskovalna dejavnost posvečena nanosu aktivnih katalitskih komponent: niklja in kobalta.
Na izbrani nosilec bosta nikelj in kobalt nanesena v različnih razmerjih. Poleg različnih razmerij med obema aktivnima kovinama bo testiran tudi vpliv njunega celokupnega deleža. Sintetizirani katalizatorji bodo na podlagi rezultatov katalitske aktivnosti in odpornosti na poogljičenje, izmerjenimi med temperaturno programiranimi testi, selektivno izločeni iz nadaljnjih testiranj. Na ta način bo izoliran katalitski material z optimalnim razmerjem in deležem aktivnih komponent, ki bo uporabljen v nadaljnjih raziskavah. Združitev rezultatov karakterizacijskih tehnik in aktivnostnih testov bo pomagala odkriti ključne lastnosti katalizatorjev, kateri so nujni za njihovo učinkovito delovanje v preiskovani reakciji.
Izbrani katalizator, ki bo izkazoval najnižjo tendenco za poogljičenje in najvišjo katalitsko aktivnost, bo podvržen naprednim testom, z namenom:
a) določiti širino uporabnega reakcijskega temperaturnega intervala in
b) hitrost poogljičenja pri reformingu nadstehiometrijskih napajalnih plinskih zmesi metana in ogljikovega dioksida.
Za dodatno izboljšanje odpornosti na poogljičenje pri reformingu nadstehiometrijskih napajalnih zmesi CH4 in CO2 bo uporabljena metoda dopiranja, t.j. z dodatki različnih množin kositra, K2O, MgO in CaO.
Dopiran NiCo/CeO2ZrO2 bimetalni katalizator, ki se bo najbolje obnesel v testih simuliranih bioplinskih mešanic, bo v nadaljevanju testiran z realnimi bioplinskimi mešanicami. Posebna pozornost bo posvečena doseganju stabilnega delovanja katalizatorja v časovnih obdobjih, daljših od 200 ur.
Eden od ciljev predlaganega temeljnega podoktorskega raziskovalnega projekta je tudi določiti reakcijski mehanizem reakcije suhega reforminga metana, in sicer s kombinacijo karakterizacijskih metod, aktivnostnih testov in spektroskopskih tehnik. Natančna identifikacija površinskih aktivnih centrov in reakcijskih intermediatov bosta omogočala določitev reakcijskega mehanizma, kar bo povečalo stopnjo razumevanja dogajanja na površini katalizatorja pri uporabljenih reakcijskih pogojih.
Pomen za razvoj znanosti
Aktivnosti, izpeljane tekom raziskovalnega projekta so rezultirale z novim znanjem na področju sinteze materialov z namenom izboljšati njihove specifične karakteristike, npr. redoks lastnosti. Pokazali smo da se kljub identični kemijski sestavi morfologija in fizikalno kemijske lastnosti precej razlikujejo. Pri željeni maksimizaciji redoks lastnosti CeO2 in izboljšanju njegove termične stabilnosti ga je potrebno dopirati s ZrO2. Silicijev karbid in aluminijev oksid učinkovito delujeta kot termično stabilni komponenti ki preprečujeta sintranje katalizatorja med reakcijo. Primerne sintezne tehnike za pripravo teh materialov so glikotermalna in zgorevalna metoda. Poleg nosilca velikost kovinskih skupkov zelo vpliva na katalitsko aktivnost, še bolj pa na potek neželjenih kemijskih reakcij, npr. poogljičenja. Visoke aktivnosti in sočasno nizko selektivnost je mogoče doseči samo z bimetalnimi delci, manjšimi od 10 nm. Z uporabo večjih kovinskih skupkov se zniža interakcija z redoks nosilcem kar povzroči pospešitev stranskih reakcij poogljičenja. Razvoj katalizatorjev na osnovi niklja in kobalta smo posplošili ter razširili tudi na železo in volfram ter s tem dokazali vsestranskost uporabljenega principa delovanja katalizatorja.
Pomen za razvoj Slovenije
Slovenija je država bogata z obnovljivimi energetskimi viri in velikim potencialom za pridobivanje bioplina. Razviti katalizatorji tekom tega raziskovalnega projekta so osnova za razvoj naprednih, okolju prijaznih tehnologij katere bodo slonele na obnovljivih virih in omogočale pridobivanje kemikalij (sinteznega plina ki je zmes H2 in CO), katere se nadaljnje v uveljavljenih tehnoloških postopkih pridobivajo za proizvodnjo goriv in kemikalij z višjo dodano vrednostjo. Raziskovalni projekt je omogočil razvoj katalitskih procesov v Sloveniji kateri predhodno niso bili sistematsko preiskovani ter rezultiral v obsežnem akumuliranem znanju in izkušnjah. Vodja projekta dr. Petar Djinović bi se ob tej priložnosti rad iskreno zahvalil ARRS za izkazano zaupanje ter finančno podporo katera je omogočala izpeljavo projekta.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
