نانوكاتالیست مس- سیلیكا ایروژل برای تولید هیدروژن از فرایند ریفرمینگ متانول با بخار آب

خلاصه اختراع :

یكی از تكنولوژیهایی كه تجاری سازی آن و رفع مشكلات آن نیازمند ساخت و توسعه كاتالیست هایی با عملكرد بالا می باشد، عملیات ریفرمینگ تكنولوژی پیل سوختی هیدروژنی می باشد. با توجه به خواص جالب توجه ایروژلها نظیر سطح ویژه بالا، ساختار مزو حفره (nm50-2) با حفرات به هم پیوسته و تخلخل بازِ بسیار بالا، در جهت كاربرد كاتالیستی، انگیزه بالایی در جهت تحقیق و آشكارسازی قابلیت این نسل از مواد در واكنش های كاتالیستی مختلف وجود دارد و استفاده از ایروژلها در فرایندهایی كه نیازمند كاتالیست هایی با عملكرد بالا می باشند، حائز اهمیت می باشد. از این رو در این اختراع یك كاتالیست ایروژلی برای فرایند تولید هیدروژن توسط ریفرمینگ متانول ساخته و ارائه شده است. اما دو مشكل عمده در روش مرسوم ساخت كاتالیست های ایروژلی وجود دارد: 1- استفاده از پیش ماده های آلكوكسایدی 2- فرایند خشك سازی فوق بحرانی. آلكوكسایدها نه تنها گران بوده، بلكه مضر و خطرناك بوده و قابلیت اشتعال بالایی دارند. همچنین تكنیك خشك كردن فوق بحرانی روشی خطرآفرین همراه با مصرف انرژی بالا و نیازمند تجهیزات و تكنولوژی بالا می باشد. در اختراع حاضر این دو مساله برطرف شده و نانوكاتالیست مس- سیلیكا ایروژل بدین شرح سنتز شده است: اولاً سیلیكات سدیم (آب شیشه) به عنوان پیش ماده ی سیلیكا استفاده شده است. این ماده ارزانترین منبع صنعتی سیلیكا می باشد و جابجایی و كار كردن با آن راحت بوده و همانند آلكوكسایدها خطر انفجار و اشتعال ندارد. از این رو، بسیاری از مزایای كلیدی برای تهیه ایروژلها در مقیاس صنعتی را دارد. ثانیاً تكنیك خشك كردن در فشار محیط با اصلاح شیمیایی سطح ژل برای خشك كردن به كار رفته است. خشك سازی در فشار محیط نیاز به تجهیزات خاص و فشارها و دماهای بالا نداشته و روشی ایمن و ارزان و با مصرف انرژی بسیار پایین تر می باشد. كاتالیست سنتز شده در این اختراع، سطح ویژه بالا (m2/g 836-476) و ساختار مزوحفره دارد. تصاویر SEM نانوكاتالیست های مس- سیلیكا ایروژل ساخته شده، ذرات كروی نسبتاً یكنواخت با اندازه ذرات كوچكتر از nm 50 را نشان می دهند و تصاویر TEM نشانگر توزیع خوب فاز فعال مس در داخل این ذرات می باشند. بر اساس آنالیزهای XRD و TPR و نیز رنگ نانوكاتالیست ها در شرایط مختلف، حالت مس موجود در آنها شناسایی شده و بدست آمد كه مس یا به صورت یون های ایزوله مس و یا به صورت اكسید مس در داخل كاتالیست وجود دارد. كاربرد نانوكاتالیست های مس- سیلیكا ایروژل ساخته شده در فرایند تولید هیدروژن از طریق واكنش ریفرمینگ متانول با بخار آب، فعالیت بالا و انتخاب پذیری مناسب آنها را اثبات كرد. همچنین نانوكاتالیست های ساخته شده پایداری زیادی در شرایط واكنش نشان دادند. افزایش درصد مس، دمای كلسیناسیون، غلظت بخار آب در خوراك تاثیر مطلوب در جهت افزایش تولید هیدروژن و كاهش تشكیل مونوكسید كربن دارند. حالت بهینه مس برای نانوكاتالیست ها در واكنش ریفرمینگ اكسید مس می باشد و افزایش درصد مس و دمای كلسیناسیون حالت مس را به حالت اكسیدی سوق می دهند. به دلیل احیای نانوكاتالیست ها در محدوده دمایی نسبتاً پایین ( oC 270-210)، نانوكاتالیست جهت فعالسازی به عملیات پیش احیا نیاز ندارند. همچنین با به كار بردن این نانوكاتالیست ها در ریفرمینگ متانول، مونوكسید كربن در مكانیزم واكنش تشكیل نمی شود و كاتالیست ها تمایلی به تبدیل واكنشگرها به مونوكسید كربن ندارند. حضور بخار آب در فضای واكنش، تاثیر مثبت بر روی عملكرد كاتالیست داشته و فعالیت آنرا افزایش داده و از تشكیل مونوكسید كربن ممانعت می كند.