SpStinet - vwpChiTiet

 

Chế tạo xúc tác NiO mang trên MSN cho quá trình hydro hóa khí carbonic thành nhiên liệu methane

Đề tài do tác giả Nguyễn Phụng Anh và cộng sự (Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ) thực hiện nhằm nghiên cứu chế tạo xúc tác trên cơ sở Ni mang trên chất mang khác MSN (Mesostructured Silica Nanoparticles), đồng thời cải tiến MSN bằng cách gắn nhóm NH2 để nâng cao hoạt tính của xúc tác và khắc phục những nhược điểm trên hệ xúc tác Ni. Từ đó đưa ra hệ xúc tác tốt và phù hợp nhất cho phản ứng methane hóa carbonic (CO2) với nồng độ cao.

Hiện nay, việc nghiên cứu đưa ra giải pháp giảm nồng độ CO2 (loại khí gây nên hiệu ứng nhà kính, một trong những nguyên nhân chính gây nên hiện tượng trái đất nóng lên, làm biến đổi khí hậu) trong khí quyển đang được cả thế giới quan tâm.

Một trong những giải pháp là thu hồi và tái sử dụng thành phần khí CO2, nên cần chuyển hóa lượng khí CO2 thành các sản phẩm khác, có nhiều ứng dụng hơn, như CH3OH, CH4, CH3OCH3, CO, rượu bậc cao,...Trong đó, việc lựa chọn sản phẩm tạo thành khí CH4 (methane) được ưu tiên do nhu cầu tiêu thụ khí tự nhiên ngày càng tăng và phản ứng hydro hóa CO2 thành khí CH4 cũng có nhiều ưu điểm về nhiệt động học. Tuy nhiên, việc tìm ra hệ xúc tác làm việc hiệu quả với chi phí thấp có khả năng methane hóa CO2 ở vùng nhiệt độ ôn hòa (<4000C), đặc biệt với hỗn hợp nguyên liệu có nồng độ CO2 cao có ý nghĩa quan trọng đối với lĩnh vực xúc tác, hóa học và công nghệ môi trường.

Các chất xúc tác cho quá trình methane hóa thường được chia thành hai nhóm chính: xúc tác kim loại quý và và xúc tác kim loại chuyển tiếp (chủ yếu là Ni) mang trên các chất mang khác nhau. Hiện nay việc cải thiện hoặc thay đổi chất mang để tăng hoạt tính xúc tác NiO đang là một trong những thách thức lớn. Trong số các chất mang chứa Si, các hạt nano silica (Mesostructured Silica Nanoparticles - MSN) đã cho thấy những ưu điểm nổi bật và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xúc tác, hóa dược, làm chất mang, điện tử,…

Với đề tài này, nhóm tác giả đã kết hợp nghiên cứu các tính chất lý – hóa hiện đại cùng khảo sát hoạt tính xúc tác trong phản ứng hydro hóa CO2 thành khí nhiên liệu CH4 ở vùng nhiệt độ thấp. Kết quả đã điều chế thành công các hệ xúc tác Ni/MSN và Ni/MSN-NH2 bằng phương pháp tẩm, trong đó các chất mang MSN và MSN-NH2 bằng phương pháp sol-gel có diện tích bề mặt riêng lớn với kích thước lỗ xốp lớn. Các xúc tác đều đạt độ xốp cao với kích thước hạt nano đã được hình thành và có độ đồng đều khá cao (30–50 nm). Việc sử dụng các chất mang xốp MSN và MSN-NH2 có diện tích bề mặt riêng lớn làm tăng khả năng phân tán tâm kim loại Ni hoạt động, các xúc tác được khử dễ dàng và làm tăng khả năng hấp phụ CO2. Nghiên cứu cũng đã xác định thành phần và điểu kiện tổng hợp xúc tác tối ưu và và điểu kiện phản ứng tối ưu. Các xúc tác đều có hoạt tính cao trong phản ứng hydro hóa khí CO2 thành nhiên liệu CH4. Trong đó, trên xúc tác Ni/MSN với hàm lượng NiO 50% là xúc tác có hoạt tính cao nhất trên chất mang này. Ở điều kiện tối ưu, độ chuyển hóa CO2 đạt 95% và độ chọn lọc CH4 đạt xấp xỉ 100% ở nhiệt độ 4000C.

Trên chất mang MSN-NH2 ngoài việc các xúc tác NiO dễ khử hơn, việc gắn nhóm NH2 làm tăng tính bazơ góp phần tăng khả năng hấp phụ CO2 giúp phản ứng xảy ra dễ dàng ngay tại vùng nhiệt độ thấp. Gắn NH2 vào chất mang MSN vừa giảm được hàm lượng NiO sử dụng (từ 50% kl xuống còn 30% kl) vừa làm tăng mạnh hoạt tính xúc tác trong vùng nhiệt độ thấp. Trên xúc tác Ni/MSN-NH2, hàm lượng NiO tối ưu là 30%. Ở điều kiện phù hợp nhất, độ chuyển hóa CO2 đạt 97% và độ chọn lọc CH4 đạt 100%. Hệ xúc tác này cũng có hoạt tính cao ngay tại vùng nhiệt độ thấp (225–3000C), có ưu thế hơn so với hệ xúc tác NiO/MSN.

Trên 2 hệ xúc tác 50Ni/MSN và 30Ni/MSN-NH2, tỷ lệ tác chất H2:CO2 phù hợp đều là 4 (tỷ lệ thức theo lý thuyết của phản ứng hydro hóa CO2 tạo CH4) phù hợp với quy luật phản ứng. Cả 2 hệ xúc tác này đều có độ ổn định cao trong suốt 30 giờ phản ứng. Xúc tác trên chất mang MSN có nhóm NH2, độ chuyển hóa không thay đổi sau 30 giờ phản ứng, chứng tỏ xúc tác này rất ổn định theo thời gian. Việc bổ sung nhóm NH2 đã làm tăng tính bazơ, tăng khả năng hấp phụ CO2, từ đó tăng hoạt tính cũng như hạn chế sự hình thành tạo cốc trên xúc tác này. Thông qua đề tài này cho thấy Ni/MSN và Ni/MSN-NH2 là hệ các hệ xúc tác có tiềm năng trong quá trình hydro hóa CO2 với nồng độ cao thành khí nhiên liệu methane ở vùng nhiệt độ phản ứng thấp hơn 4000C.

Các tin khác: