Ключові слова
Як цитувати
Анотація
Паровий риформінг етанолу на сьогодні є привабливим способом одержання водню як найбільш життєздатного носія енергії у майбутньому. Крім того, одержання водню з етанолу може бути екологічно сприятливим. Етанол може бути виготовлений з сільськогосподарських відходів, отже він є відновлювальним ресурсом. Його одержання шляхом ферментації біомаси є досить простим і дешевим способом. Крім експлуатаційних умов, вирішальну роль має використання каталізаторів для одержання водню шляхом риформінгу етанолу. Різні каталізатори були використані для парового риформінгу етанолу, у переважній більшості нанесені благородні метали, нікель і кобальт. Дана робота присвячена дослідженню парового риформінгу етанолу на феритах як нового типу оксидних каталізаторів цієї реакції. Феритні каталізатори, MFe2O4 (M = Mg, Mn, Fe, Zn), були приготовані методом співосадження; для характеристики каталізаторів використовували методи рентгенофазового аналізу, дифракції електронів, БЕТ, температурно-програмованої десорбції CO2, термічної гравіметрії. Каталітичні експерименти здійснювали за атмосферного тиску у діапазоні температур 573-823K. Основними продуктами реакції були ацетальдегід, ацетон, СО2 і Н2. Важливо відзначити, що СО, який є небажаною домішкою до водню, не міститься в продуктах реакції. При відносно низьких температурах висока селективність за ацетоном (71,3 %), яка дуже близька до її теоретичної величини (75 %), спостерігалася для FeFe2O4. Таким чином, ферит FeFe2O4 може бути ефективним каталізатором прямого перетворення етанолу у ацетон. За високих температур селективність за ацетоном зменшується внаслідок конверсії ацетону у СО2 і цільовий продукт Н2. Селективність за воднем збільшується при підвищенні температури до 823 К для усіх вивчених феритів. Максимум виходу водню (83,4 %) було досягнуто на MnFe2O4, тому він є перспективним об'єктом для подальших досліджень.
Посилання
Ghasemzadeh K., Jalilnejad E., Tilebon S.M.S. Hydrogen produc-tion technologies from ethanol. Ethanol Science and Engineering. Else-vier. 2018. 307-340. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811458-2.00012-2
Lazar M. D., Senila L., Dan M., Mihe M. Crude Bioethanol Re-forming Process: The Advantage of a Biosource Exploitation. Ethanol Science and Engineering. Elsevier. 2018. 257-288. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811458-2.00010-9
Liu Z., Senanayake S.D., Rodriguez J.A. Catalysts for the Steam Reforming of Ethanol and Other Alcohols. Ethanol Science and Engi-neering. Elsevier. 2018. 133-158. 574 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811458-2.00005-5
Contreras J.L., Salmones J., Colin-Luna J.A., Nuno L., Quintana B., Cordova I., Zeifert B., Tapia C., Fuentes G.A. Catalysts for H2 pro-duction using the ethanol steam reforming (a review). Int. J. Hydrogen Energy. 2014. 39. 18835-18853. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.08.072
Pyatnitsky Y.I., Dolgykh L.Yu., Stolyarchuk I.L. Strizhak P.E. Production of hydrogen by steam reforming of ethanol. Theor. Exp. Chem. 2013. 49. 272-297. https://doi.org/10.1007/s11237-013-9327-5
Mattos L.V., Jacobs G., Davis B.H. Noronha F.B. Production of hydrogen from ethanol: review of reaction mechanism and catalyst deactivation. Chem. Rev. 2012. 112. 4094-4123. https://doi.org/10.1021/cr2000114
Piscina P.R., Homs N. Use of biofuels to produce hydrogen (refor-mation processes). Chem. Soc. Rev. 2008. 37. 2459-67. https://doi.org/10.1039/b712181b
Ni M., Leung D.Y.C., Leung M.K.H. A review on reforming bio-ethanol for hydrogen production. Int. J Hydrogen Energy. 2007. 32. 3238-3247. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2007.04.038
Vaidya P. D., Rodrigues A. E. Review. Insight into steam reform-ing of ethanol to produce hydrogen for fuel cells. Chem. Eng. J. 2006. 117. 39-49. https://doi.org/10.1016/j.cej.2005.12.008
Haryanto A., Fernando S., Murali N., Adhikari S. Current status of hydrogen production techniques by steam reforming of ethanol: A review. Energy & Fuels. 2005. 19. 2098-2106. https://doi.org/10.1021/ef0500538
Simson A., Farrauto R., Castaldi M. Steam reforming of etha-nol/gasoline mixtures: Deactivation, regeneration and stable perfor-mance. Appl. Catal. B. 2011. 106. 295- 303. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2011.05.027
Bilal M., Jackson S.D. Ethanol steam reforming over Pt/Al2O3 and Rh/Al2O3 catalysts: The effect of impurities on selectivity and cata-lyst deactivation. Appl. Catal. A. 2017. 529. 98-107. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2016.10.020
Palma V., Castaldoa F., Ciambellia P., Iaquaniellob G. CeO2-supported Pt/Ni catalyst for the renewable and clean H2 production via ethanol steam reforming. Appl. Catal. B. 2014. 145. 73-84. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2013.01.053
Cifuentes B., Hernández M., Monsalve S., Cobo M. Hydrogen production by steam reforming of ethanol on a RhPt/CeO2/SiO2 cata-lyst: Synergistic effect of the Si:Ce ratio on the catalyst performance. Appl. Catal. A. 2016. 523. 283-293. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2016.06.014
González-Gil R., Herrera C., Larrubia M.A., Mariño F., Laborde M., Alemany L.J. Hydrogen production by ethanol steam reforming over multimetallic RhCeNi/Al2O3 structured catalyst. Pilot-scale study. Int. J. Hydrogen Energy. 2016. 41.16786-16796. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.06.234
Greluk M., Słowik G., Rotko M., Machocki A. Steam reforming and oxidative steam reforming of ethanol over PtKCo/CeO2 catalyst. Fuel. 2016. 183. 518-530. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.06.068
Auprêtre F., Descorme C., Duprez D. Bio-ethanol catalytic steam reforming over supported metal catalysts. Catal. Comm. 2002. 3. 263-267. https://doi.org/10.1016/S1566-7367(02)00118-8
Liguras D.K., Kandarides D.I., Verykios X.E. Production of hy-drogen for fuel cells by steam reforming of ethanol over supported noble metal catalysts. Appl. Catal. B. 2003. 43. 345-354. https://doi.org/10.1016/S0926-3373(02)00327-2
Salge J.R., Deluga G.A., Schmidt L.D. Catalytic partial oxidation of ethanol over noble metal catalysts. J. Catal. 2005. 235. 69-78. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2005.07.021
Cai W., Zhang B., Li Y., Xu Y., ShenW. Hydrogen production by oxidative steam reforming of ethanol over an Ir/CeO2 catalyst. Catal. Comm. 2007. 8. 1588-1594. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2007.01.017
Wang K., Dou B., Jiang B., Zhang Q., Li M., Chen H., Xu Y. Ef-fect of support on hydrogen production from chemical looping steam reforming of ethanol over Ni-based oxygen carriers. Int. J. Hydrogen Energy. 2016. 41. 17334-17347. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.07.261
Ramírez-Hernández G.Y., Viveros-García T., Fuentes-Ramírez R., Galindo-Esquivel I.R. Promoting behavior of yttrium over nickel supported on alumina-yttria catalysts in the ethanol steam reforming reaction. Int. J. Hydrogen Energy. 2016. 41. 9332-9343. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.04.080
Biswas P., Kunzru D. Oxidative steam reforming of ethanol over Ni/CeO2-ZrO2 catalyst. Chem. Eng. J. 2008. 136. 41-49. https://doi.org/10.1016/j.cej.2007.03.057
Frusteri F., Freni S., Chiodo V., Donato S., Bonura G., Cavallaro S. Steam and auto-thermal reforming of bio-ethanol over MgO and CeO2 Ni supported catalysts. Int. J. Hydrogen Energy 2006. 31. 2193 - 2199. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.02.024
Fatsikostas A.N., Kondarides D.I., Verykios X.E. Steam reform-ing of biomass-derived ethanol for the production of hydrogen for fuel cell applications. J. Catal. 2004. 225. 439-452.
Yu N., Zhang H., Davidson S.D., Sun J., Wang Y. Effect of ZnO facet on ethanol steam reforming over Co/ZnO. Catal. Commun. 2016. 93-97. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2015.10.018
Song H., Zhang L., Ozkan U.S. The effect of surface acidic and basic properties on the performance of cobalt-based catalysts for etha-nol steam reforming. Top. Catal. 2012. 55. 1324-1331. https://doi.org/10.1007/s11244-012-9918-8
Song H., Ozkan U.S. Ethanol steam reforming over Co-based catalysts: Role of oxygen mobility. J. Catal. 2009. 261. 66-74. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2008.11.006
Llorca J., Homs N., Sales J., Piscina1 P.R. Efficient production of hydrogen over supported cobalt catalysts from ethanol steam reform-ing. J. Catal. 2002. 209. 306-317. https://doi.org/10.1006/jcat.2002.3643
Soykal I.I., Bayram В, Sohn H., Gawade P., Miller J. T., Ozkan U.S. Ethanol steam reforming over Co/CeO2 catalysts: Investigation of the effect of ceria morphology. Appl. Catal. A. 2012. 449. 47-58. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2012.09.038
Muroyama H., Nakase R., Matsui T., Eguchi K. Ethanol steam reforming over Ni-based spinel oxide. Int. J. Hydrogen Energy. 2010. 35 1575-1581. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.12.083
Barroso M.N., Gomez M.F., Arrua L.A., Abello M.C. Reactivity of aluminium spinels in the ethanol steam reforming reaction. Catal. Lett. 2006. 109. 13-19. https://doi.org/10.1007/s10562-006-0051-9
Li Z., Yi W., Qun H. Preparation and properties of K2NiF4-type perovskite oxides La2NiO4 catalysts for steam reforming of ethanol. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2009. 19. 1444-1449. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(09)60048-0
Chen S.Q., Liu Y. LaFeyNi1-yO3 supported nickel catalysts used for steam reforming of ethanol. Intern. J. Hydrogen Energy. 2009. 34. 4735-4746. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.03.048
Ma F., Chu W., Huang L., Yu X., Wu Y. Steam reforming of ethanol over Zn-doped LaCoO3 perovskite nanocatalysts. Chin. J. Catal. 2011. 32. 970-977. https://doi.org/10.1016/S1872-2067(10)60218-5
Stolyarchuk I.L., Dolgikh L.Yu., Vasilenko I.V., Pyatnitsky Yu.I., Strizhak P.E. Catalysis of steam reforming of ethanol by nanosized manganese ferrite for hydrogen production. Theor. Exp.Chem. 2012. 48. 129-134. https://doi.org/10.1007/s11237-012-9250-1
Kim D.K., Mikhaylova M., Zhang Yu, Muhammed M. Protec-tive Coating of superparamagnetic iron oxide nanoparticles. Chem. Mater. 2003. 15. 1617-1627.https://doi.org/10.1021/cm021349j
Liu C.-P., Li M.-W., Cui Z. Huang J.-R., Tian Y.-L., Lin T., Mi W.-B. Comparative study of magnesium ferrite nanocrystallites prepared by sol-gel and coprecipitation methods. J. Mater. Sci. 2007. 42. 6133-6138. https://doi.org/10.1007/s10853-006-1070-z
Philip J., Gnanaprakash G., Panneerselvam G., Antony M. P., Jayakumar T., Raj B. Effect of thermal annealing under vacuum on the crystal structure, size, and magnetic properties of ZnFe2O4 nanoparticles. J. Appl. Phys. 2007. 102. 054305.https://doi.org/10.1063/1.2777168
Dolgykh L., Stolyarchuk I., Deynega I., Strizhak P. The use of in-dustrial dehydrogenation catalysts for hydrogen production from bio-ethanol. Int. J. Hydrogen Energy. 2006. 31. 1607-1610. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.06.028
Giri J., Sriharsha T., Asthana S., Tumkur K., Rao G., Nigam A.K., Dhirendra B. Synthesis of capped nanosized Mn1−xZnxFe2O4 (0⩽x⩽0.8) by microwave refluxing for bio-medical applications. J. Magnet. Mag-net. Mater. 2005. 293. 55-61. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2005.01.043
Rana S., Philip J., Raj B. Micelle based synthesis of cobalt ferrite nanoparticles and its characterization using Fourier transform infrared transmission spectrometry and thermogravimetry. Mater. Chem. Phys. 2010. 124. 264-69. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2010.06.029
Rethwisch D.G., Dumesic J.A. Effect of metal-oxygen bond strength on properties of oxides. 1. Infrared spectroscopy of adsorbed carbon monoxide and carbon dioxide. Langmuir. 1986. 2. 73-79. https://doi.org/10.1021/la00067a013
Jensen M.B., Pettersson L.G.M., Swang O., Olsbye U. CO2 sorption on MgO and CaO surfaces: a comparative quantum chemical cluster study. J. Phys. Chem. B. 2005. 109 16774-16781. https://doi.org/10.1021/jp052037h
Díez V.K., Apestegua C.R., Di Cosimo J.I. Aldol condensation of citral with acetone on MgO and alkali-promoted MgO catalysts. J. Catal. 2006. 240. 235-244. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2006.04.003
Jacobs J.P., Maltha A., Reitjes J.G.H., Drimal J., Ponec V., Brong-ersma H.H., The surface of catalytically active spinels. J. Catal. 1994. 47. 294-300. https://doi.org/10.1006/jcat.1994.1140
Pyatnytsky Y.I., Strizhak P. E. Calculating Equilibrium and Simulating Kinetics of Heterogeneous Catalytic Reactions. 2018, https://www.free-ebooks.net/ebook/Calculating-Equilibrium-and-Simulating-Kinetics-of-Heterogeneous-Catalytic-Reactions.
Schweitzer N.M., Hu B., Das U., Kim H., Greeley J., Curtiss L.A., Stair P.C., Miller J.T., Hock A.S. Propylene hydrogenation and propane dehydrogenation by a single-site Zn2+ on silica catalyst. ACS Catal. 2014. 4. 1091-1092. https://doi.org/10.1021/cs401116p
Elliott D.J., Pennella F. The formation of ketones in the presence of carbon monoxide over CuO/ZnO/Al2O3. J. Catal. 1989. 119. 359-367. https://doi.org/10.1016/0021-9517(89)90166-8
Nishiguchi T., Matsumoto T., Kanai H., Utani K., Marsumura Y., Shen W., Imamura S. Catalytic steam reforming of ethanol to produce hydrogen and acetone. Appl. Catal. A Gen. 2005. 279. 73-77. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2004.10.035