การสะสมคาร์บอนบนตัวเร่งปฏิกิริยา Ni/ZrO2 สำหรับปฏิกิริยาดรายรีฟอร์มมิงของมีเทน

Carbon Deposition over Ni/ZrO2 Catalyst for Dry Reforming of Methane Reaction

Abstract

วัตถุประสงค์และที่มา : การเพิ่มขึ้นของแก๊สเรือนกระจก (แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และแก๊สมีเทน) ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาส่งผลให้เกิดวิกฤติภาวะโลกร้อน ซึ่งทำให้นักวิจัยสนใจที่จะแก้ไขปัญหานี้ ปฏิกิริยาดรายรีฟอร์มมิงของมีเทน (DRM) เป็นปฏิกิริยาที่น่าสนใจสำหรับการผลิตแก๊สสังเคราะห์ (ไฮโดรเจนและคาร์บอน มอนอกไซด์) จากแก๊สเรือนกระจก ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดโลหะนิกเกิลนิยมใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาดรายรีฟอร์มมิงของมีเทน เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงและราคาไม่สูงมาก อย่างไรก็ตามการใช้โลหะนิกเกิลเป็นตัวเร่งปฏิกิริยามักจะเกิดการสะสมตัวของคาร์บอนบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งนำไปสู่การเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา เซอร์โคเนียเป็นตัวรองรับที่มีความน่าสนใจเนื่องจากมีความต้านทานต่อการเกิดการสะสมตัวของคาร์บอนได้เป็นอย่างดี ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงสนใจที่จะศึกษาผลของการสะสมของคาร์บอนบนตัวเร่งปฏิกิริยา 10%Ni/ZrO2 ที่เตรียมขึ้นจากวิธีที่แตกต่างกัน วิธีดำเนินการวิจัย : นำสารละลายนิกเกิลไนเตรท (Ni(NO3)2 ) หยดลงบนตัวรองรับเซอร์โคเนีย ซึ่งถูกเตรียมขึ้นด้วยวิธีที่แตกต่างกัน 4 ชนิด โดยให้มีปริมาณโลหะนิกเกิล 10% โดยน้ำหนัก เตรียมด้วยวิธีการเอิบชุ่ม วิเคราะห์คุณสมบัติกายภาพ-ทางเคมี ของตัวรองรับและตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมขึ้นด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ การดูดซับ-คายซับของแก๊สไนโตรเจน และเทคนิคการโปรแกรมอุณหภูมิเพื่อทดสอบการคายซับของแก๊สไฮโดรเจน สำหรับการศึกษาชนิดและปริมาณของคาร์บอน ที่สะสมอยู่บนตัวเร่งปฏิกิริยา 10% Ni/ZrO2 ที่ใช้แล้วจะถูกตรวจสอบโดยเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ โปรแกรมอุณหภูมิเพื่อทดสอบการคายซับออกซิเดชันและโดยภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็ก ตรอนแบบส่องผ่าน ผลการวิจัย : ตัวอย่างเซอร์โคเนียที่เตรียมได้โดยวิธีที่แตกต่างกัน 4 ชนิด มีโครงสร้างจุลภาคและสัณฐานวิทยาแตกต่างกัน ถูกนำมาเตรียมเป็นตัวรองรับของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะนิกเกิล และทดสอบประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาดรายรีฟอร์มิงของมีเทนในเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่ง พบว่าความไวของการเร่งปฏิกิริยาจะมีความแตกต่างกันเนื่องจากความแตกต่างของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมขึ้น สรุปผลการ วิจัย : จากผลการทดลองพบว่าผลของขนาดอนุภาค การกระจายตัวของโลหะนิกเกิล และวัฏภาคของเซอร์โคเนียมีผลต่อความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากนี้ทั้งชนิดและปริมาณของคาร์บอนที่สะสมบนตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แล้ว ยังมีความสัมพันธ์กับความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาอีกด้วย  Background and Objectives: The increase of greenhouse gases (carbon dioxide and methane) in recent decades has led to a global warming crisis. As a result, researchers are interested in solving this problem. Dry reforming of methane (DRM) is an attractive reaction for syngas production (hydrogen and carbon monoxide) from greenhouse gases. The nickel-based catalysts are often used as catalysts in DRM reaction, because of their high activity and low cost. However, there is also a disadvantage to the carbon deposition, leading to the catalyst deactivation. ZrO2 has been considered an attractive support due to its good resistance to coke formation. Therefore, this work is interested in studying the formation of carbon deposits on various Ni/ZrO2 catalysts. Methodology: The Ni(NO3)2 solution was deposited on ZrO2, which is prepared in four different ways with 10% Ni loading by the impregnation method. The physico-chemical properties of supports and catalysts were analyzed by XRD, N2 adsorption-desorption, and H2-TPD techniques. The type and amount of the deposited carbon on the spent 10% Ni/ZrO2 catalysts were characterized by XRD, O2-TPD and TEM techniques. Main Results: Four ZrO2 samples with different microstructure and morphology were used as catalyst support. The catalytic performance of 10%Ni/ZrO2 catalysts conducted in fixed-bed reactor DRM reaction was found the different catalytic activity of different catalysts. Conclusions: It was found that the effects of Ni particle size and zirconia phase had a significant influence on the catalytic activity. Moreover, both the type and amount of carbon deposition on spent Ni/ZrO2 were also related to the catalytic activity.