Nghiên Cứu Kết Quả Chế Tạo Xúc Tác NiO Trên MSN Cho Quá Trình Chuyển Hóa Khí Carbonic Thành Methane

Nghiên cứu chế tạo xúc tác Nio mang trên MSN silica mesostructured cho quá trình hydro hóa CO2 thành methane, mở ra hướng đi mới cho năng lượng tái tạo.

Trường đại học

Viện Công nghệ Hóa học - Viện Hàn lâm KH&CN VN

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

báo cáo tổng hợp

2018

78
4
0

Phí lưu trữ

30 Point

Mục lục chi tiết

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH ẢNH

1. PHẦN I: NỘI DUNG CÔNG VIỆC VÀ TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN

1.1. Nội dung đã thực hiện

1.2. Các sản phẩm đã tạo ra

DANH SÁCH CÁ NHÂN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

2. PHẦN II: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

2.1. Xúc tác cho quá trình hydro hóa CO2 thành CH4

2.1.1. Xúc tác kim loại quý

2.1.2. Xúc tác trên cơ sở NiO

2.1.3. Cơ chế quá trình Methane hóa

2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình methane hoá CO2

2.1.4.1. Nhiệt độ phản ứng
2.1.4.2. Tỷ lệ nguyên liệu H2/CO2

2.1.5. Xúc tác và phương pháp điều chế xúc tác

2.1.5.1. Thời gian nung và nhiệt độ nung của xúc tác
2.1.5.2. Hàm lượng pha hoạt tính của xúc tác

2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2.1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất

2.2.2. Quy trình điều chế xúc tác Ni mang trên chất mang MSN và MSN-NH2

2.2.3. Phân tích các đặc trưng lý-hóa của xúc tác

2.2.3.1. Diện tích bề mặt riêng của xúc tác
2.2.3.2. Trạng thái pha của xúc tác
2.2.3.3. Tính chất khử của xúc tác
2.2.3.4. Tính chất azo của xúc tác
2.2.3.5. Hình thái bề mặt xúc tác

2.2.4. Phổ hồng ngoại

2.2.5. Phương pháp oxy hóa theo chương trình nhiệt độ

2.2.6. Khảo sát hoạt tính của các xúc tác

2.2.7. Phân tích hàm lượng các sản phẩm

2.2.8. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ H2/CO2 trong dòng nhập liệu đến hiệu quả quá trình hydro hóa CO2 có nồng độ cao thành CH4

2.2.9. Khảo sát độ bền và đánh giá sự tạo cốc trên 2 xúc tác tốt nhất ứng với hai chất mang

2.2.10. Khảo sát quá trình cốc hình thành trên bề mặt xúc tác bằng phương pháp oxy hóa theo chương trình nhiệt độ

2.3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

2.3.1. Tính chất lý hóa của các chất mang và xúc tác

2.3.1.1. Tính chất lý hóa của các chất mang
2.3.1.2. Ảnh SEM và TEM
2.3.1.3. Diện tích bề mặt riêng
2.3.1.4. Phổ hồng ngoại FT-IR
2.3.1.5. Giản đồ TPD-CO2

2.3.2. Hoạt tính của các xúc tác

2.3.2.1. Xúc tác NiO/MSN-NH2
2.3.2.2. Ảnh hưởng tỷ lệ nguyên liệu H2/CO2 trong dòng nhập liệu đến quá trình hydro hóa CO2 thành CH4
2.3.2.3. Khảo sát độ bền và sự tạo cốc trên bề mặt các xúc tác

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH SÁCH NGHIÊN CỨU SINH, HỌC VIÊN CAO HỌC VÀ SINH VIÊN ĐƯỢC HỖ TRỢ ĐÀO TẠO TỪ KINH PHÍ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

DANH SÁCH CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐỀ TÀI

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Chế Tạo Xúc Tác NiO MSN Mới Nhất

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng trở nên cấp bách, việc giảm phát thải khí CO2 là một yêu cầu thiết yếu. Một trong những giải pháp tiềm năng là chuyển hóa khí carbonic thành các sản phẩm có giá trị, đặc biệt là methane. Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo xúc tác NiO trên nền MSN (Mesoporous Silica Nanoparticles) nhằm tăng hiệu quả quá trình chuyển hóa CO2 thành methane. Mục tiêu là tạo ra một vật liệu xúc tác dị thể có hoạt tính cao, ổn định và chi phí hợp lý. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra tiềm năng của xúc tác NiO trong phản ứng này, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của vật liệu xúc tác. Nghiên cứu này hướng đến việc cải thiện tính chất xúc tác của NiO/MSN, đồng thời khám phá cơ chế phản ứng để nâng cao hiệu quả chuyển đổi khí CO2 thành methane. Cần phải đánh giá ảnh hưởng của các thông số phản ứng như nhiệt độ phản ứng, áp suất phản ứngtỷ lệ khí CO2/H2.

1.1. Giới Thiệu Về MSN Mesoporous Silica Nanoparticles

MSN (Mesoporous Silica Nanoparticles) là vật liệu nano xốp có cấu trúc trật tự, diện tích bề mặt riêng lớn, và kích thước lỗ xốp đồng đều. Những đặc tính này làm cho MSN trở thành chất mang lý tưởng cho các xúc tác dị thể. MSN có thể được điều chỉnh để tăng khả năng phân tán của kim loại NiO, từ đó cải thiện hiệu quả xúc tácđộ ổn định xúc tác. Việc sử dụng MSN giúp tăng cường khả năng tiếp xúc giữa các chất phản ứng và trung tâm hoạt động của xúc tác, đồng thời giảm thiểu sự kết tụ của các hạt NiO. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng MSN làm chất mang xúc tác đang là một hướng đi đầy triển vọng trong lĩnh vực chuyển hóa CO2.

1.2. Vai Trò Của NiO Trong Phản Ứng Methane Hóa CO2

NiO (Nickel Oxide) là một kim loại chuyển tiếp được sử dụng rộng rãi trong các phản ứng xúc tác, bao gồm cả phản ứng methane hóa CO2. NiO có khả năng hoạt hóa phân tử hydro và tạo ra các trung tâm hoạt động trên bề mặt xúc tác. Tuy nhiên, NiO có xu hướng kết tụ ở nhiệt độ cao, làm giảm diện tích bề mặt riênghiệu quả xúc tác. Do đó, việc phân tán NiO trên chất mang MSN là rất quan trọng để duy trì hoạt tính và độ ổn định xúc tác. Các nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa độ phân tán NiO trên MSN để đạt được hiệu suất chuyển đổi CO2 cao nhất.

II. Thách Thức Chuyển Hóa Khí Carbonic Thành Methane Hiệu Quả

Quá trình chuyển hóa khí carbonic thành methane đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Bản thân phân tử CO2 rất bền vững và trơ về mặt hóa học, đòi hỏi xúc tác phải có khả năng hoạt hóa mạnh mẽ. Việc lựa chọn xúc tác phù hợp, có hiệu quả xúc tác cao và giá thành hợp lý là một vấn đề nan giải. Sự kết tụ của các hạt kim loại hoạt tính trên bề mặt xúc tác theo thời gian cũng làm giảm độ ổn định xúc tác. Ngoài ra, điều kiện phản ứng khắc nghiệt, như nhiệt độ và áp suất cao, có thể gây ra sự thoái hóa của vật liệu xúc tác. Do đó, cần phải nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phản ứng, tính chất vật lýtính chất hóa học của xúc tác để vượt qua những rào cản này.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Xúc Tác NiO MSN

Hiệu suất của xúc tác NiO/MSN bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm kích thước hạt NiO, diện tích bề mặt riêng của MSN, độ phân tán NiO trên MSN, và điều kiện phản ứng. Kích thước hạt NiO nhỏ và độ phân tán cao giúp tăng cường khả năng tiếp xúc giữa xúc tác và các chất phản ứng. Diện tích bề mặt riêng lớn của MSN cung cấp nhiều vị trí cho việc phân tán NiO. Tối ưu hóa các yếu tố này là chìa khóa để cải thiện hiệu quả xúc tácđộ ổn định xúc tác. Nghiên cứu cần tập trung vào việc kiểm soát các thông số phương pháp chế tạo xúc tác để đạt được các đặc tính mong muốn.

2.2. Sự Tạo Cốc Và Giảm Hoạt Tính Xúc Tác Theo Thời Gian

Một vấn đề thường gặp trong các phản ứng xúc tác liên quan đến hydrocarbon là sự tạo cốc trên bề mặt xúc tác, dẫn đến giảm hoạt tính xúc tác theo thời gian. Cốc là các hợp chất carbon hình thành do sự phân hủy của các sản phẩm hoặc chất phản ứng. Sự tích tụ cốc làm giảm diện tích bề mặt riêng của xúc tác và che phủ các trung tâm hoạt động. Nghiên cứu cần tìm ra các phương pháp để giảm thiểu sự tạo cốc, chẳng hạn như điều chỉnh tính chất hóa học của chất mang hoặc sử dụng các chất phụ gia để ức chế sự hình thành cốc. Khả năng tái sử dụng xúc tác là một yếu tố quan trọng để đánh giá tính kinh tế của quá trình chuyển hóa CO2.

III. Phương Pháp Chế Tạo Xúc Tác NiO MSN Hoạt Tính Cao Mới Nhất

Việc chế tạo xúc tác NiO/MSN đòi hỏi một quy trình tỉ mỉ để đảm bảo độ phân tán NiO cao và cấu trúc MSN ổn định. Các phương pháp thường được sử dụng bao gồm tẩm ướt, kết tủa, và phương pháp sol-gel. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến tính chất vật lýtính chất hóa học của xúc tác. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa phương pháp chế tạo xúc tác để đạt được hiệu quả xúc tác cao nhất trong phản ứng methane hóa CO2. Cần phải kiểm soát chặt chẽ các thông số như nồng độ tiền chất, nhiệt độ sấy, và nhiệt độ nung để tạo ra vật liệu xúc tác có cấu trúc và hoạt tính mong muốn.

3.1. Tối Ưu Hóa Quá Trình Tẩm Ướt NiO Trên MSN

Quá trình tẩm ướt là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để đưa NiO lên bề mặt MSN. Tuy nhiên, cần phải tối ưu hóa các thông số như nồng độ dung dịch NiO, thời gian tẩm, và nhiệt độ sấy để đảm bảo độ phân tán NiO cao. Việc sử dụng các chất hoạt động bề mặt có thể giúp cải thiện sự phân tán của NiO trên MSN. Sau khi tẩm, xúc tác cần được nung ở nhiệt độ thích hợp để chuyển đổi tiền chất NiO thành oxide hoạt tính.

3.2. Sử Dụng Phương Pháp Sol Gel Để Tạo NiO MSN Cấu Trúc Kiểm Soát

Phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát chặt chẽ cấu trúc và thành phần của vật liệu xúc tác. Bằng cách điều chỉnh các thông số như pH, nồng độ tiền chất, và thời gian phản ứng, có thể tạo ra NiO/MSN với kích thước hạtdiện tích bề mặt riêng mong muốn. Phương pháp sol-gel cũng cho phép kết hợp NiO vào cấu trúc MSN ngay từ giai đoạn đầu, giúp tăng cường độ phân tán NiO và cải thiện tính chất xúc tác.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Xúc Tác NiO MSN Chuyển Hóa CO2

Việc phát triển xúc tác NiO/MSN hiệu quả mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực chuyển hóa CO2. Ứng dụng chuyển hóa CO2 thành methane không chỉ giúp giảm phát thải khí nhà kính mà còn tạo ra nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng. Methane có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện, phương tiện giao thông, và các ứng dụng công nghiệp khác. Ngoài ra, quá trình methane hóa CO2 có thể được tích hợp vào các hệ thống thu giữ và lưu trữ CO2 (CCS) để giảm thiểu tác động của hoạt động công nghiệp đến môi trường. Việc giảm phát thải CO2 là một trong những mục tiêu quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

4.1. Triển Vọng Ứng Dụng Trong Giảm Phát Thải CO2 Công Nghiệp

Ngành công nghiệp là một trong những nguồn phát thải CO2 lớn nhất. Việc sử dụng xúc tác NiO/MSN để chuyển hóa CO2 từ khí thải công nghiệp thành methane có thể giúp giảm đáng kể lượng CO2 thải ra môi trường. Quá trình này có thể được triển khai tại các nhà máy điện, nhà máy xi măng, và các nhà máy hóa chất. Việc thu hồi và chuyển hóa CO2 không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn tạo ra nguồn doanh thu từ việc bán methane.

4.2. Tiềm Năng Sản Xuất Năng Lượng Tái Tạo Từ Khí CO2

Chuyển hóa CO2 thành methane mở ra tiềm năng sản xuất năng lượng tái tạo. Methane có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện, giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Quá trình này có thể được tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo khác, như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, để tạo ra một hệ thống năng lượng bền vững và thân thiện với môi trường. Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất và tính kinh tế của quá trình methane hóa CO2 để cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống.

V. Phân Tích Kết Quả Nghiên Cứu Hiệu Quả Chuyển Hóa NiO MSN

Nghiên cứu đã chứng minh được hiệu quả xúc tác của NiO/MSN trong quá trình chuyển hóa khí carbonic thành methane. Các kết quả cho thấy độ chuyển hóa CO2độ chọn lọc CH4 cao hơn so với các xúc tác truyền thống. Phân tích đặc trưng vật liệu bằng các phương pháp như XRD, BET, SEM và TEM đã cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc và tính chất của xúc tác. Các kết quả này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác. Các kết quả này cần được so sánh với các nghiên cứu khác để đánh giá tính cạnh tranh của xúc tác NiO/MSN.

5.1. Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Điều Kiện Phản Ứng Tới Hiệu Suất

Nhiệt độ, áp suất, và tỷ lệ khí H2/CO2 có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xúc tác của NiO/MSN. Nghiên cứu đã xác định được điều kiện phản ứng tối ưu để đạt được độ chuyển hóa CO2độ chọn lọc CH4 cao nhất. Việc tăng nhiệt độ thường làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng cũng có thể dẫn đến sự thoái hóa của xúc tác. Tỷ lệ khí H2/CO2 cần được điều chỉnh để đảm bảo đủ lượng hydro cho phản ứng methane hóa CO2. Nghiên cứu cần cung cấp dữ liệu chi tiết về ảnh hưởng của từng thông số đến hiệu quả xúc tác.

5.2. Nghiên Cứu Độ Bền Và Khả Năng Tái Sử Dụng Xúc Tác

Độ bền xúc táckhả năng tái sử dụng xúc tác là những yếu tố quan trọng để đánh giá tính kinh tế của quá trình chuyển hóa CO2. Nghiên cứu đã khảo sát hoạt tính của xúc tác NiO/MSN theo thời gian để đánh giá độ bền xúc tác. Các kết quả cho thấy xúc tác vẫn duy trì hoạt tính cao sau nhiều chu kỳ phản ứng. Nghiên cứu cũng đã thử nghiệm các phương pháp tái sinh xúc tác để khôi phục hoạt tính sau khi bị thoái hóa. Khả năng tái sử dụng xúc tác giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của quá trình chuyển hóa CO2.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Xúc Tác NiO MSN Tương Lai

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo xúc tác NiO/MSN hiệu quả cho quá trình chuyển hóa khí carbonic thành methane. Các kết quả cho thấy NiO/MSN có tiềm năng lớn trong việc giảm phát thải khí nhà kính và sản xuất năng lượng tái tạo. Hướng phát triển tương lai của nghiên cứu bao gồm việc tối ưu hóa cơ chế phản ứng, cải thiện độ bền xúc tác, và giảm chi phí chế tạo xúc tác. Việc hợp tác với các ngành công nghiệp để triển khai ứng dụng xúc tác NiO/MSN trong thực tế là một bước quan trọng để đạt được mục tiêu giảm phát thải CO2.

6.1. Tối Ưu Hóa Cấu Trúc Lỗ Xốp Của MSN Để Tăng Hoạt Tính

Nghiên cứu cần tập trung vào việc điều chỉnh kích thước lỗ xốp và cấu trúc của MSN để tăng cường khả năng khuếch tán của các chất phản ứng và sản phẩm. Việc tạo ra các lỗ xốp có kích thước phù hợp với phân tử CO2H2 có thể cải thiện hiệu quả xúc tác. Nghiên cứu cũng có thể khám phá việc sử dụng các chất phụ gia để điều chỉnh cấu trúc lỗ xốp của MSN.

6.2. Nghiên Cứu Các Phương Pháp Giảm Chi Phí Chế Tạo Xúc Tác

Chi phí chế tạo xúc tác là một yếu tố quan trọng cần xem xét để triển khai ứng dụng xúc tác NiO/MSN trong thực tế. Nghiên cứu cần tìm ra các phương pháp giảm chi phí chế tạo xúc tác, chẳng hạn như sử dụng các tiền chất rẻ tiền hơn, tối ưu hóa quy trình chế tạo xúc tác, và tái sử dụng chất mang MSN. Việc hợp tác với các công ty hóa chất có thể giúp giảm chi phí sản xuất và tăng tính cạnh tranh của xúc tác NiO/MSN.

24/05/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong những thập kỷ qua cùng với sự phát triển của kinh tế thì việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch trên thế giới ngày càng tăng. Kết quả của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch là sự gia tăng phát thải khí CO2 - một loại khí gây nên hiệu ứng nhà kính và là một trong những nguyên nhân chính gây nên hiện tƣợng trái đất nóng lên và hiện tƣợng biến đổi khí hậu. Theo kết quả nghiên cứu nồng độ khí CO2 trong không khí đã tăng từ 280 lên đến 390ppm vào năm 2010 và dự đoán có thể tiếp tục tăng đến 570 ppm vào cuối thể kỷ thứ 21. Do vậy, việc nghiên cứu đƣa ra giải pháp giảm nồng độ CO2 trong khí quyển đang đƣợc cả thế giới quan tâm.

Mặt khác, Việt Nam có một thềm lục địa rộng lớn dọc theo bờ biển, nhiều vùng trũng và đầm lầy ở các đồng bằng, đây là những địa hình có nhiều mỏ khí thiên nhiên. Nhƣng do đặc thù hình thành của các mỏ này là quá trình phân hủy xác sinh vật nên hàm lƣợng CO2 khá cao. Hiện nay có 2 nguồn khí thiên nhiên rất lớn sắp đƣợc đƣa vào khai thác và sử dụng cụ thể là mỏ khí Lô B- Ô Môn với trữ lƣợng thu hồi tại chỗ khoảng 107 tỷ m3 và mỏ Cá voi xanh với trữ lƣợng thu hồi tại chỗ khoảng 150 tỷ m3 khí. Nhƣng hiên có một vấn đề đặt ra là cả 2 nguồn khí trên đều có hàm lƣợng khí CO2 rất cao, thành phần CO2 trong mỏ khí Lô B - Ô Môn và mỏ Cá voi xanh trƣơng ứng là 20% và 30% thể tích.

Do đó để sử dụng hợp lý, tiết kiệm, hiệu quả, thân thiện với môi trƣờng, cần phải tìm cách để thu hồi và tái sử dụng thành phần khí CO2 trong các nguồn khí thiên nhiên trên tránh việc phát thải ra ngoài gây ô nhiễm môi trƣờng - nhất là trong bối cảnh Việt Nam đã tham gia nghị định thƣ Kyoto về cắt giảm phát thải khí nhà kính. Việc sử dụng thành phần khí CO2 hiện nay rất hạn chế, ứng dụng chủ yếu của CO2 hiện nay là sản xuất ure và một số dẫn chất khác nhƣ HCOOH, polycarbonate nên cần thiết phải chuyển hóa lƣợng khí CO2 thành các sản phẩm khác có nhiều ứng dụng hơn nhƣ CH3OH, CH4, CH3OCH3, CO, rƣợu bậc cao và một số sản phẩm khác. Trong các sản phẩm trên thì việc lựa chọn sản phẩm tạo thành khí CH4 đƣợc ƣu tiên do nhu cầu tiêu thụ khí tự nhiên ngày càng tăng và phản ứng hydro hóa CO2 thành khí 5 CH4 cũng có nhiều ƣu điểm về nhiệt động học cho phản ứng chuyển hóa CO2 thành CH4. Tuy nhiên, CO2 là chất không phân cực, trơ về mặt hóa học, khả năng hoạt động kém nên đây là rào cản cho phản ứng.

Do vậy, 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 (<400 oC), đặc biệt với hỗn hợp nguyên liệu có nồng độ CO2 cao có ý nghĩa quan trọng đối trong lĩnh vực xúc tác, hóa học và công nghệ môi trƣờng. Đây cũng là hƣớng nghiên cứu đang đƣợc quan tâm nhiều trong thời gian hiện nay. Hydro hóa CO và/hoặc CO2 thành CH4 từ lâu đã đƣợc xem là phản ứng cơ bản và đƣợc ứng dụng trong xử lý CO và CO2 cho quá trình sản xuất amoniac. Tuy nhiên, phản ứng chỉ xảy ra khi tỷ lệ H2/CO(CO2) rất cao, hơn nữa CO2 lại chuyển hóa thấp hơn nhiều so với CO do bản chất của phân tử CO2 (nhƣ đã đề cập ở trên).

Vì vậy, để nâng cao quá trình chuyển hóa CO2 đồng thời mở rộng phạm vi ứng dụng phản ứng, nhiều hệ xúc tác mới đã đƣợc nghiên cứu. Các chất xúc tác cho quá trình methane hóa thƣờng đƣợc chia thành hai nhóm chính: xúc tác kim loại quý và và xúc tác kim loại chuyển tiếp (chủ yếu Ni) mang trên các chất mang khác nhau. Kim loại quý là những xúc tác hoạt tính cao cho phản ứng. Tuy trên xúc tác kim loại quý có độ chuyển hóa CO2 cao nhƣng độ chọn lọc CH4 lại thấp [1], hơn nữa kim loại quý có giá thành cao, khan hiếm và dễ thiêu kết ở nhiệt độ cao.

Vì vậy hiện nay chúng ít đƣợc ứng dụng trong thực tế. Điều này đã thúc đẩy việc tìm kiếm những hệ xúc tác thay thế. Trong đó, xúc tác Ni trên chất mang -Al2O3 đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất cho quá trình methane hóa CO2 do hiệu suất chuyển hóa khá cao và chi phí thấp. Tuy nhiên, Ni/-Al2O3 lại bộc lộ những nhƣợc điểm nhất định: carbon dễ lắng đọng và xúc tác dễ bị thiêu kết dẫn đến giảm hoạt tính.

Vì vậy, việc nghiên cứu bằng cách 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) đang đƣợc nghiên cứu nhiều trong thời gian gần đây đã cho thấy những ƣu điểm nổi bật của MSN nhƣ: kích thƣớc hạt nano, diện tích bề mặt riêng rất lớn với kích thƣớc lỗ xốp lớn. Với những ƣu điểm nổi bật, MSN đã đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ xúc tác, hóa dƣợc, làm chất mang, điện tử,… 6 MSN đƣợc điều chế bằng phƣơng pháp sol-gel, do đó có thể dễ dàng điều chỉnh và sự phân bố dựa vào chế độ trộn của các chất phản ứng. Ngoài ra, hình thái và cấu trúc của các hạt silic cũng có thể dễ dàng đƣợc kiểm soát dựa vào vào tỷ lệ mol của các chất phản ứng.

Việc tẩm NiO trên chất mang MSN đã cho thấy sự phân tán cao các hạt Ni [2], và do đó đã cải thiện hoạt tính và tính ổn định của các chất xúc tác Ni trong phản ứng reforming [3]. Tuy nhiên, chƣa có nhiều công trình nghiên cứu trên phản ứng methane hóa CO2 thành CH4. Mục đích của đề tài này là nghiên cứu chế tạo xúc tác trên cơ sở Ni mang trên chất mang khác MSN, đồng thời MSN cũng đƣợc cải tiến bằng cách gắn nhóm NH2 để nâng cao hoạt tính của xúc tác và khắc phục những nhƣợc điểm trên hệ xúc tác Ni. Từ đó đƣa ra đƣợc hệ xúc tác tốt và phù hợp nhất cho phản ứng methane hóa CO2 với nồng độ cao.

Xúc tác cho quá trình hydro hóa CO2 thành CH4 1.1 Xúc tác kim loại quý Nhƣ đã đề cập ở trên, xúc tác cho quá trình hydro hóa CO2 thƣờng là xúc tác kim loại quý và và xúc tác kim loại chuyển tiếp (chủ yếu Ni). Đối với xúc tác kim loại quý, Ru là một trong những chất xúc tác có hoạt tính cao nhất cho phản ứng methane hóa CO2 [4]. Ru thƣờng đƣợc mang trên các o9xide kim loại nhƣ Al2O3, TiO2, SiO2, MgO,… [5, 6]. Tuy có độ chuyển hóa CO2, độ chọn lọc CH4 và độ bền cao, nhƣng giá thành cao đã làm hạn chế ứng dụng của nó.

Đồng thời quá trình chuyển hóa CO2 trên xúc tác Ru cũng xảy ra ở nhiệt độ cao (> 400 oC). Vì vậy, để giảm nhiệt độ phản ứng trong phản ứng methane hóa CO2, chất xúc tác Ru/TiO2 đã đƣợc nghiên cứu [7]. Tuy nhiên, xúc tác Ru/TiO2 không thể tái sinh sau quá trình phản ứng. Vì những nhƣợc điểm trên nên xúc tác Ru không đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế.

Trƣớc đây Pd, Pt, Rh cũng đƣợc sử dụng làm xúc tác [8-10]. Pd có khả năng phân ly hydro [11] và tạo ra các nguyên tử hydro sẵn có cho việc chuyển tiếp và phản ứng với các nguyên tử carbon bề mặt, hoạt tính đƣợc hình thành trong phản ứng CO2 trên chất mang MgO [12]. Phản ứng Methane hóa CO2 trên xúc tác Pd/MgO có độ chuyển hóa CO2 59%, độ chọn lọc CH4 95% ở nhiệt độ 450 oC. Trong khi đó, trên xúc 7 tác Pt và Rh, mặc dù có độ chuyển hóa CO2 cao nhƣng độ chon lọc thấp.

Tuy nhiên vì giá thành cao nên hiện nay các xúc tác này ít đƣợc sử dụng. Xúc tác trên cơ sở NiO Chất xúc tác trên cơ sở Ni đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhất cho quá trình methane hóa CO2 do hiệu suất chuyển hóa CO2 cao và chi phí thấp [9, 13-17]. Xúc tác Ni thƣờng đƣợc mang trên các chất mang nhƣ Al2O3, SiO2, CeO2, ZrO2, Ce- ZrO2,… Tuy nhiên chúng lại có nhƣợc điểm là tƣơng tác với CO2 tạo carbonyl Ni(CO)4, carbidic Ni3C và carbon tự do bám trên bề mặt làm mất hoạt tính của xúc tác [18], nhƣng vấn đề này đƣợc khắc phục bằng cách lựa chọn nhiệt độ, tỷ lệ nguyên liệu và phụ gia hợp lý.  Xúc tác Ni/Al2O3 Xúc tác Ni/γ-Al2O3 là một trong những xúc tác đƣợc sử dụng nhiều nhất cho phản ứng methane hóa CO2 vì có hoạt tính và độ chọn lọc cao.

Theo các tác giả [19], xúc tác Ni/γ-Al2O3 với hàm lƣợng Ni 20% có hoạt tính cao và ổn định trong vùng nhiệt độ 200  350 oC, độ chuyển hóa CO2 đạt 82%, độ chọn lọc CH4 đạt 100% ở nhiệt độ 350 oC. Tuy nhiên, trên hệ xúc tác này, carbon dễ lắng đọng và xúc tác dễ bị thiêu kết dẫn đến giảm hoạt tính. Các nghiên cứu cho thấy rằng kim loại quý có tác dụng kìm hãm sự tạo thành carbon cao hơn Ni, nhƣng vì lý do kinh tế nên xúc tác Ni vẫn đƣợc ƣu tiên sử dụng. Vì vậy, để khắc phục nhƣợc điểm trên của xúc tác nickel, các chất phụ gia có khả năng hạn chế sự tạo carbon đã đƣợc quan tâm nghiên cứu và phụ gia thƣờng dùng là các oxide kim loại kiềm và kiềm thổ [20-22].

Tác giả [23] đã nghiên cứu ảnh hƣởng của các phụ gia Na2O, K2O, MgO và CaO trên xúc tác Ni/Al2O3. Kết quả nghiên cứu cho thấy các oxide kim loại này có tác dụng ngăn cản sự tạo thành carbon trong quá trình hydro hóa CO2. Điều này đƣợc giải thích là do các phụ gia này đã làm giảm hoạt tính phân huỷ CH4 của xúc tác Ni. Kết quả nghiên cứu đã làm sáng tỏ khi thêm các oxide kim loại thì bề mặt của xúc tác Ni trở nên thuận lợi hơn cho sự hấp phụ CO2, trong khi trên các xúc tác không chứa phụ gia lại thuận lợi cho quá trình hấp phụ CH4.

Chính sự hấp phụ CO2 chiếm ƣu thế trên bề mặt Ni đã ngăn cản quá trình phân hủy CH4 tạo cặn carbon. Kết quả nghiên cứu còn cho thấy, việc thêm các oxide kim loại còn làm thay đổi kích thƣớc tinh thể của Ni. 8 Thêm 1% khối lƣợng Na2O và K2O kích thƣớc tinh thể niken tăng từ 10 nm lên 16nm và thêm CaO và MgO kích thƣớc tinh thể thay đổi không đáng kể.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Nghiên Cứu Chế Tạo Xúc Tác NiO Trên MSN Để Chuyển Hóa Khí Carbonic Thành Methane" trình bày một nghiên cứu quan trọng về việc phát triển xúc tác NiO trên vật liệu MSN nhằm chuyển hóa khí carbonic thành methane. Nghiên cứu này không chỉ giúp giảm thiểu lượng khí CO2 trong môi trường mà còn mở ra cơ hội sản xuất năng lượng tái tạo từ nguồn khí thải. Các điểm chính của tài liệu bao gồm quy trình chế tạo xúc tác, các thí nghiệm đánh giá hiệu suất và tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp.

Để mở rộng thêm kiến thức về lĩnh vực xúc tác và hóa học, bạn có thể tham khảo tài liệu Luận văn thạc sĩ công nghệ hóa học khảo sát hoạt tính nano từ tính oxide đồng sắt làm xúc tác cho các phản ứng o và naryl hóa, nơi nghiên cứu về hoạt tính của các xúc tác khác. Ngoài ra, tài liệu Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa dầu đồng phân hóa nhexane trên xúc tác pd cũng cung cấp cái nhìn sâu sắc về các ứng dụng của xúc tác trong ngành hóa dầu. Cuối cùng, bạn có thể tìm hiểu thêm về Nghiên ứu ảnh hưởng ủa hàm lượng oxit sắt trên á hất mang khá nhau đến hoạt tính xú tá oxitive raking phân đoạn dầu nặng, tài liệu này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của các thành phần xúc tác đến hiệu suất phản ứng. Những tài liệu này sẽ giúp bạn mở rộng kiến thức và khám phá sâu hơn về các chủ đề liên quan.