Gold catalyst supported on titania for 1-butanol partial oxidation in a microreactor
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2019-03-12
Department
Major/Subject
Chemistry
Mcode
CHEM3023
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
91+25
Series
Abstract
Theoretical background of the catalytical activity of gold nanoparticles, TiO2 as support, sol-immobilization method and oxidation of alcohols in microreactor are explained briefly in the literature part. In the experimental part, five gold on titania (TiO2) support catalysts were made with sol-immobilization method. Catalyst were made to observe the effect of catalyst preparation parameters to the size of gold particles, size distribution of the gold particles and the activity of the catalyst. Preparation parameters were the amount of gold in the solution, the pH adjustment timing and the pH level of the catalyst preparation solution. As catalytic activity test reaction 1-butanol was partial oxidized to butyraldehyde. The catalysts were prepared with target loading of 0.3, 0.6 and 1.0 wt.% Au/TiO2. The effect of adding H2SO4 at different stages of catalyst preparation was tested by acidifying the gold nanoparticle solution before addition of the support instead of acidifying after addition of the support. The wanted target acidity of the solution varied from pH 1 to 3. Catalysts were characterized by transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive spectroscopy, x-ray fluorescence, thermogravimetric analysis, x-ray photoelectron spectroscopy and rheology, and tested in a microreactor for 1-butanol partial oxidation in the gas phase. All the catalysts were tested at temperature range of 130 to 400 °C and partial pressure of 13.5 kPa. One catalyst was tested also at 1-butanol partial pressure of 18.0 kPa. The TEM analysis showed that the 1.0 wt.% Au/TiO2 sample gave 3.9 nm average size of Au particles and 0.3 wt.% sample 2.0 nm average size of particles. Acidifying the catalyst preparation solution before adding TiO2 affected size of the particles by reducing their average size from 3.9 to 3.2 nm. Acidifying the catalyst preparation solution to pH 3 instead of 1, increased the average size of the particles from 2.7 to 3.8 nm with 0.6 wt.% Au/TiO2 sample. All catalysts yielded 20% - 55% of butyraldehyde at 400 °C. Yields of other products such as carbon monoxide (3% - 10%), carbon dioxide (5% - 25%), trans-2-butene (1% - 10%), 1-butene (1% - 5%) and propene (0% - 5%) at 400 °C were observed. By decreasing the residence time and increasing the partial pressure of 1-butanol it was possible to have more selective reactor conditions to butyraldehyde.Kirjallisuusosassa käydään lyhyesti läpi teoreettista taustaa kultananopartikkeleiden katalyyttiselle aktiviisisuudelle, titaanidioksidi kantajana, sooli-immolibilisaatio ja alkoholin hapetus mikroreaktorissa. Kokeellisessa osassa tehtiin viisi erilaista kultakatalyyttiä titaanidioksidikantajalla sooli-immobilisaatiomenetelmällä. Katalyytinvalmistusparametrien vaikutusta tarkkailtiin katalyyttien aktiivisuuteen ja ominaisuuksiin, jotka olivat kultahiukkasten koko ja niiden kokojakautuminen. Katalyytin valmistusliuoksen parametrit olivat kullan määrä, pH:n säätämisen vaihe ja pH-arvo. katalyyttien aktiivisuutta testattiin osittain hapettamalla 1-butanolia butanaaliksi. Katalyytit tähdättiin sisältämään 0,3; 0,6 ja 1,0 painoprosenttia kultaa. H2SO4:n lisäämisen vaikutusta katalyytin valmistuksen eri vaiheissa testattiin happamoittamalla kullan nanopartikkeliliuos ennen titaanioksidi kantajan lisäämistä sen sijaan, että se oli happamoitettu kantajan lisäämisen jälkeen. Liuoksen haluttu pH vaihteli 1 ja 3 välillä. Katalyytit karakterisoitiin transmissioelektronimikroskopialla (TEM), termogravimetrisella analyysillä, röntgenfluoresenssilla energiadispersiivispektroskopialla, röntgenfotoelektronispektroskopialla ja reologisesti. Katalyytit testattiin mikroreaktorissa kaasufaasissa olevalla 1-butanolilla lämpötila-alueella 130 – 400 °C. Yksi katalyytti testattiin myös 18,0 kPa:n 1-butanolin osapaineella normaalin 13,5 kPa: n sijaan. TEM analyysin mukaan kullan 1,0% määrä katalyytissä antoi keskimäärin 3,9 nm:n partikkelikoon ja kullan 0,3% määrä antoi keskimäärin 2,0 nm partikkelikoon. Happamoittamalla katalyytinvalmisteliuos ennen TiO2:n lisäämistä vaikutti kultahiukkasiin pienentämällä niiden kokoa 3,9 nm:sta 3,2 nm:iin. Happamoittamalla katalyyttiliuos pH-arvoon 3 vaikutti hiukkasten kokoon kasvattamalla niiden keskimääräistäkokoa 2,7 nm:sta 3,8 nm:iin kultaa 0,6% sisältävällä katalyytillä. Katalyyttien butanaalin saanto vaihteli 20% - 55% välillä 400 °C asteessa. Muitakin tuotteita havainnointiin ja niiden saanto vaihteli 400 °C asteessa, esimerkiksi häkää (3% - 10%), hiilidioksidia (5% - 25%), trans-2-buteenia (1% - 10%), 1-buteenia (1% - 5%) ja propeenia (0% - 5%). Viipymisaikaa pienentämällä ja 1-butanolin osittaispainetta lisäämällä oli mahdollista saada selektiivisemmät reaktoriolosuhteet butanaalin tuottamiseksi.Description
Supervisor
Puurunen, RiikkaThesis advisor
Khan, YaseenViinikainen, Tiia
Keywords
gold catalyst, nanoparticles, 1-butanol, microreactor, TiO2, sol-immobilization
