Porøs silica beskytter nikkelkatalysator

Ved at pakke nikkelnanopartikler ind i et beskyttende skjold af porøs silica, A*STAR-forskere har udviklet en meget aktiv og robust katalysator, der kan hjælpe med at producere metan fra biomasse.

Biomasse er et potentielt kulstofneutralt råmateriale til fremstilling af brændstoffer eller andre nyttige kemikalier. Gennem en proces kaldet forgasning, biomasse omdannes til en blanding, kendt som syngas, bestående af kulilte, kuldioxid og brint. Syngas kan omdannes til en række andre kemikalier, herunder metan, som kan bruges som transportbrændstof eller bygas, eller brændt for at generere elektricitet.

Forskellige katalysatorer omdanner syngas til metan. Nikkel er en af ​​de mest almindelige, på grund af dens høje aktivitet og moderate omkostninger, og det er typisk understøttet på et andet materiale, såsom aluminiumoxid eller silica. Men katalysatoren kan blive deaktiveret under denne højtemperatur-metaneringsreaktion, enten gennem en ophobning af kulstof kaldet koksdannelse, eller ved en proces kaldet sintring, hvor katalysatorpartikler klumper sig sammen. I øvrigt, eventuelle spor af svovlforbindelser i syngassen kan meget hurtigt slukke for nikkels katalytiske aktivitet, så syngas skal igennem en dyr renseproces for at fjerne svovl før metanering.

Luwei Chen fra A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences og kolleger har nu indlejret nikkelnanopartikler i porøs silica, som giver gasser adgang til katalysatoren, men forhindrer de problemer, der forårsager deaktivering.

De fremstillede katalysatoren ved at blande partikler af nikkelhydroxid med tetraethylorthosilicat. Efter yderligere bearbejdning, de aktiverede nikkel ved at reagere det med brint ved 600 grader Celsius, danner partikler, der indeholdt omkring 40 vægtprocent nikkel. Forskerne testede deres katalysator med syngas afledt af en forgasningsproces, og med en simuleret syngas, som begge indeholdt svovl. Ved hjælp af teknikker som transmissionselektronmikroskopi, Røntgendiffraktion og termisk gravimetrisk analyse, de fandt ud af, at katalysatoren oplevede meget lidt sintring eller koksdannelse under reaktionen, i modsætning til en kommerciel katalysator, der blev testet med de samme syngasprøver. "Porøst silica beskytter ved at isolere hver partikel, for at forhindre sintring, " siger Chen.

Nikkel-silica-katalysatoren modstod også svovlurenheder i tre gange så længe som dens kommercielle rival, før den blev deaktiveret. Forbedring af svovlbestandigheden af ​​katalysatoren på denne måde kan føre til betydelige omkostningsbesparelser i syngasrensningsprocessen. Forskerne samarbejder nu med IHI, et japansk ingeniørfirma, at opskalere deres syntese af katalysatoren, og metaneringsprocessen.