Katalysator til kulstoffri produktion af brintgas fra ammoniak

(Phys.org)—Hydrogen har potentialet til at give et alternativ, ren energikilde, især når det gælder brændselscelleteknologi. Nuværende brændstofkilder involverer kulstofholdige fossile brændstoffer eller kulstofholdige organiske molekyler, hvilket resulterer i produktion af overskydende CO ₂ , en drivhusgas. Flere initiativer, herunder et nationalt initiativ i Japan, forsøge at skabe et samfund med lavt kulstofforbrug ved at bruge alternative brændstofkilder.

Energy Carriers-initiativet i Japan er et nationalt projekt, der specifikt ser på måder til effektivt at opbevare og transportere brint. En måde at gøre dette på er at bruge ammoniak som brintkilde. Imidlertid, opdagelsen af ​​en effektiv proces til nedbrydning af ammoniak har vist sig vanskelig, hovedsagelig fordi den katalytiske proces til at nedbryde ammoniak kræver kontinuerlig tilførsel af varme, hvilket kan være uoverkommeligt dyrt.

Katsutoshi Nagaoka, Takaaki Eboshi, Yuma Takeishi, Ryo Tasaki, Kyoto Honda, Kazuya Imamura, og Katsutoshi Sato fra Oita University i Japan har udviklet en metode, der anvender en ny katalysator til fremstilling af brint fra ammoniak uden tilsætning af ekstern varme gennem den katalytiske cyklus. Deres arbejde vises i Videnskabens fremskridt .

Nedbrydning af ammoniak til brint og nitrogen er en endoterm proces, hvilket betyder, at det kræver tilførsel af energi for at få produkter. Dette betyder, at traditionelle katalytiske nedbrydningsreaktioner kræver tilsætning af en stor mængde varme for at opnå en nyttig mængde brintgas.

Nagaoka et al. udviklet en katalysator, der er lavet af en RuO ₂ nanopartikel understøttet på y-Al ₂ O ₃ katalysatorleje. Efter at have renset deres katalysator for H ₂ O og CO ₂ , ammoniak og oxygen blev tilsat til reaktionsbeholderen, hvor ammoniak blev adsorberet på den katalytiske overflade, resulterer i en temperaturstigning. Denne temperaturstigning katalyserede den oxidative nedbrydning af ammoniak, en eksoterm proces. Dette opvarmede reaktionen, hvilket igen, gav energien til den endotermiske nedbrydning af ammoniak til brint og nitrogen.

Katalysatorforbehandlingen krævede opvarmning for at fjerne vand og kuldioxid, men det krævede ikke efterfølgende genopvarmning. Tests på katalysatorcykling viste, at efter den indledende forbehandling af RuO ₂ /y-Al ₂ O ₃ katalysator med helium ved 300 ^o C, katalysatoren var i stand til at cykle tre gange og stadig producere brint i maksimalt udbytte. Desuden, disse undersøgelser omfattede oxidativ passivering for at sikre, at der ikke blev produceret varme fra oxidation af Ru til RuO ₂ . I praksis, oxidativ passivering vil ikke være nødvendig. Så, selvom opvarmning er nødvendig for at forbehandle katalysatoren, opvarmning er ikke nødvendig for yderligere cyklusser af katalysatoren.

I et forsøg på at forstå, hvordan RuO ₂ /y-Al ₂ O ₃ katalysator virker, Nagaoka et al. sammenlignet den maksimale katalytiske lejetemperatur, der er resultatet af selvopvarmning af RuO ₂ /y-Al ₂ O ₃ til RuO ₂ /La ₂ O ₃ , en kendt ammoniak-nedbrydningskatalysator. De fandt ud af, at den aluminiumbaserede katalysator blev opvarmet til en maksimal temperatur på 97 ^o C, mens den lanthanbaserede katalysator opvarmes til en maksimal temperatur på 53 ^o C. Dette er vigtigt, fordi selvantændelsestemperaturen for den oxidative forbrænding af ammoniak er 90 ^o C, og det forklarer, hvorfor der blev set bedre reaktionsudbytter med RuO ₂ /y-Al ₂ O ₃ .

Forfatterne påpeger, at denne forskel i adsorptionstemperatur sandsynligvis skyldes den gunstige interaktion mellem ammoniak, et grundlæggende molekyle, og Al ₂ O ₃ , som er en Lewis-syre. La ₂ O ₃ , på den anden side, er en Lewis-base.

Derudover forfatterne så på forskellen mellem at bruge blottet γ-Al ₂ O ₃ som katalysator og RuO ₂ /y-Al ₂ O ₃ . De fandt ud af, at 90 % af ammoniakken adsorberer på blottet γ-Al2O3 sammenlignet med katalysatorlejet og RuO ₂ nanopartikel. Dette indebærer, at ammoniak kemisorberes på nanopartiklerne og γ-Al ₂ O ₃ , som så fremmer flerlags fysisorption.

Samlet set, denne type katalysator er nyttig til at give tilstrækkelig varme til at overvinde de nødvendige varmekrav til den endotermiske nedbrydning af ammoniak til brint og nitrogengas. Denne undersøgelse viser, at selvopvarmende katalyse er en levedygtig mulighed for at udforske løsninger på de praktiske vanskeligheder ved at bruge ammoniak som brintbrændstofkilde.

© 2017 Phys.org