Catalyst deactívation in aqueous phase reforming induced by a phase change of gamma-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-catalyst support

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2012
Major/Subject
Teknillinen kemia
Mcode
Kem-40
Degree programme
Language
en
Pages
vii + 90 + [6]
Series
Abstract
Aqueous phase reforming (APR) is an efficient way to convert dilute biomass streams to hydrogen. The process is operated at elevated pressures in order to keep hot water in a liquid phase (e.g. T=225-450°C, p=2.9-25 MPa). Heterogeneous catalysts, especially Pt/y-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, have been reported to be active and selective catalyst for the conversion of biomass based oxygenates to hydrogen with APR. However, maintaining catalysts stability in hot pressurized water is challenging. It has been reported by several researchers that the phase of the y-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> support changes to boehmite (AlOOH) during APR resulting in decrease in the support surface area and changes in acidity. Furthermore, the active metals on the support surface lose their surface area due to sintering, resulting in changes in the catalyst performance. However, there are contradictory explanations in the literature about how the phase change alters the catalysts properties and in turn the performance. In this study the deactivation of Pt/y-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> catalyst in APR of ethylene glycol (EG) was studied. Pt/y-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> and Pt/AlOOH catalysts with similar particle size were prepared. Their properties, such as surface area, support structure and acidity, and activity in APR of EG were compared. Based on the results the y-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-support loses it acidity during APR due to the phase change. Acidity is required to bind the metals on the surface. After loss of the acidity, Pt particles are detached from the support surface and they create larger Pt clusters due to coalescence. This results in catalysts deactivation due to loss of active metal surface area.

Vesifaasireformoinnilla (APR) voidaan tehokkaasti tuottaa vetyä laimeista biomassavirroista. Prosessia operoidaan ylipaineessa, jotta kuuma vesi pysyy nestemäisenä (esim. T=225-450 °C, p=2,9-25 MPa). Heterogeenisten katalyyttien, ja etenkin Pt/y-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, on raportoitu olevan aktiivisia ja selektiivisiä vesifaasireformointikatalyytteja biomassaperäisten oksygenaattien konversiossa vedyksi. Katalyytin aktiivisuuden ylläpitäminen on kuitenkin haastavaa näissä olosuhteissa. Useat tutkijat ovat raportoineet, että y-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> kantajan faasi muuttuu böhmiitiksi (AlOOH) APR:n aikana. Tästä seuraa, että kantajan pinta-ala pienenee ja happamuus muuttuu. Kantajan pinnalla olevien aktiivisten metallien pinta-ala myös muuttuu sintrautumisen seurauksena vaikuttaen katalyytin toimintaan. Kirjallisuudessa on kuitenkin ristiriitaisia johtopäätöksiä siitä miten faasin muutos muuttaa katalyytin toimintaa. Tässä diplomityössä on tutkittu Pt/y-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> katalyytin deaktivoitumista etyleeniglykolin (EG) vesifaasireformoinnissa. Tätä varten valmistettiin Pt/y-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> ja Pt/AlOOH katalyytit, joilla on sama partikkelikoko. Näiden katalyyttien ominaisuuksia, kuten pinta-alaa, kantajan rakennetta ja happamuutta, sekä katalyytin aktiivisuutta EG:n APR:ssa vertailtiin keskenään. Työssä todettiin, että y-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> kantaja menettää faasinmuutoksen seurauksena happamuutensa. Happamuus vaikuttaa kantajan kykyyn sitoa metallipartikkelit sen pinnalle. Kun happamuus menetetään Pt-partikkelit irtoavat pinnalta, leviävät ja törmätessään toisiinsa muodostavat isompia platinaklustereita. Tämän seurauksen platinan aktiivinen pinta-ala pienenee johtaen katalyytin deaktivoitumiseen.
Description
Supervisor
Lehtonen, Juha
Thesis advisor
Karinen, Reetta
Vlieger, Dennis de
Keywords
APR, deaktivoituminen, Pt/gamma-Al2O3, sintrautuminen, AlOOH, deactivation, sintering
Other note
Citation