FG Technische Chemie
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In dieser Arbeit wurden der Aktivierungsprozess und der Stickstoffaustrag während der KOH-Aktivierung stickstoffmodifizierter Kohlenstoffmaterialien untersucht, um die spezifischen und synergistischen Beiträge von Stickstoff und KOH zur Porositätsbildung in diesen Materialien zu klären. Hierfür wurden geeignete Referenzsysteme aus verschiedenen Kohlenstoffquellen (Cellulose und Phenolharz) hergestellt, bei denen Syntheseparameter wie der Harnstoffgehalt, die KOH-Konzentration und die Karbonisierungstemperatur systematisch variiert wurden. Es wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des Harnstoffgehalts in der Synthesemischung zu einem höheren Stickstoffgehalt in den Charcoals führt – ein Effekt, der bei cellulosebasierten Materialien ausgeprägter ist.
Die KOH-Aktivierung führte, unabhängig von der verwendeten Kohlenstoffquelle, zu einem erheblichen Stickstoffaustrag. Bei hohen KOH-Konzentrationen (> 10 M) war kein Stickstoff mehr im Material nachweisbar, was eng mit der Bildung einer ausgeprägten Porosität zusammenhängt. Allerdings zeigte sich, dass der Gewinn an Porenvolumen durch den Austrag stickstoffhaltiger Spezies relativ gering ist. Stickstoff wirkt hauptsächlich als Katalysator für Redoxreaktionen zwischen KOH bzw. dessen Zersetzungsprodukten und Kohlenstoff, indem er die Bildung von K₂CO₃ begünstigt. Diese Kaliumspezies können die graphitische Struktur des Materials zerstören und zusätzliche chemische Prozesse unterstützen, was zu einer intensiveren Aktivierung führt.
Die Bildung von K₂CO₃ ist stark vom Stickstoffgehalt abhängig und wurde ausschließlich bei Kohlenstoffen beobachtet, die mit einer Kombination aus hoher KOH-Konzentration und hohem Stickstoffgehalt hergestellt wurden. Im Gegensatz dazu führte eine Kombination aus hoher KOH-Konzentration und niedrigem Stickstoffgehalt nicht zur Bildung von K₂CO₃, was darauf hinweist, dass die chemischen Wechselwirkungen des Kaliums in diesem Szenario eine untergeordnete Rolle bei der Porositätsbildung spielen. In solchen Fällen erfolgt die Aktivierung des Materials primär über Redoxreaktionen, bei denen Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂) als Reaktionsprodukte entstehen. Diese Redoxreaktionen bewirken eine Umstrukturierung des Materials, jedoch ohne eine signifikante Veränderung der graphitischen Struktur durch Kaliumspezies. Anderseits ist die hohe KOH-Konzentration entscheidend für die Bereitstellung von Kaliumverbindungen, die gezielt in die Schichtstruktur des Materials eindringen und diese effektiv aufbrechen.
Mithilfe einer templatgestützten Synthese wurden poröse Kohlenstoffgerüste unter Verwendung von Silicagel als Templat hergestellt. Die chemische Gasphaseninfiltration (CVI) wurde hierbei als Synthese verwendet. Unter Variation verschiedener Reaktionsparameter zur Optimierung der Kohlenstoffabscheidung wurde dieser Prozess mathematisch modelliert and simuliert. Dabei konnten die experimentellen Ergebnisse gut mit den Modellen nachgebildet werden. Die zusätzliche Beschreibung der laminaren Strömung verbessert die Übereinstimmung deutlich.
Among challenges implicit in the transition to the post–fossil fuel energetic model, the finite amount of resources available for the technological implementation of CO2 revalorizing processes arises as a central issue. The development of fully renewable catalytic systems with easier metal recovery strategies would promote the viability and sustainability of synthetic natural gas production circular routes. Taking Ni and NiFe catalysts supported over γ-Al2O3 oxide as reference materials, this work evaluates the potentiality of Ni and NiFe supported biochar catalysts for CO2 methanation. The development of competitive biochar catalysts was found dependent on the creation of basic sites on the catalyst surface. Displaying lower Turn Over Frequencies than Ni/Al catalyst, the absence of basic sites achieved over Ni/C catalyst was related to the depleted catalyst performances. For NiFe catalysts, analogous Ni5Fe1 alloys were constituted over both alumina and biochar supports. The highest specific activity of the catalyst series, exhibited by the NiFe/C catalyst, was related to the development of surface basic sites along with weaker NiFe–C interactions, which resulted in increased Ni0:NiO surface populations under reaction conditions. In summary, the present work establishes biochar supports as a competitive material to consider within the future low-carbon energetic panorama.
This work analyses the catalytic activity displayed by Cu/SiO2, Cu-Fe/SiO2 and Cu/FSN (Fe-SiO2 nanocomposite) catalysts for the Reverse Water Gas Shift reaction. Compared to Cu/SiO2 catalyst, the presence of Fe resulted on higher CO’s selectivity and boosted resistances against the constitution of the deactivation carbonaceous species.
Regarding the catalytic performance however, the extent of improvement attained through incorporation Fe species strongly relied on the catalysts’ configuration. At 30 L/gh and H2:CO2 ratios = 3, the performance of the catalysts’ series increased according to the sequence: Cu/SiO2 < Cu-Fe/SiO2 << Cu/FSN. The remarkable catalytic
enhancements provided by Fe-SiO2 nanocomposites under different RWGS reaction atmospheres were associated to enhanced catalyst surface basicity’s and stronger Cu-support interactions. The catalytic promotion achieved by Fe-SiO2 nanocomposites argue an optimistic prospective for nanocomposite catalysts within future
CO2-valorising technologies.
Assessing the impact of textural properties in Ni–Fe catalysts for CO2 methanation performance
(2021)
In heterogeneous catalysis, the benefits of employing adequate textural properties on the catalytic performances are usually stated. Nevertheless, the quantification of the extent of improvement is not an easy task since variations on the catalysts’ specific areas and pore structures might involve modifications on a number of other
surface catalytic features. This study establishes the impact of the catalyst textural properties on the CO2 methanation performance by investigating bimetallic Ni–Fe catalysts supported over carbon supports with different textural properties regarding surface area and pore structure. The comparable metal loading and dispersions
attained for all systems enabled establishing forthright relationships between the catalyst textural properties and CO2 methanation rate. Once the influence of the external mass diffusions on the catalysts’ performance was experimentally discarded, the estimated Thiele modulus and internal effectiveness (φ and ηEff) values showed that the catalyst performance was majorly governed by the surface reaction rate whilst the pore size affected in no significant manner within the examined range (Dpore = 10.2 to 5.8 nm). Therefore, the rapport
between the catalyst performance and surface area was quantified for the CO2 methanation reaction over Ni–Fe catalysts: increasing the surface area from 572 to 802 m2/g permit obtaining ca. 10% higher CO2 conversions.