Nghiên cứu chế tạo xúc tác Ni/ZrO2 cho phản ứng methane hóa CO2

• Tác giả: Kim Đức Nhơn
• Người hướng dẫn: GS.TSKH Lưu Cẩm Lộc
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật lọc dầu và hóa dầu
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo xúc tác Ni/ZrO2 cho phản ứng methane hóa CO2
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.1. Đặt vấn đề
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG METHANE HÓA CO2
• 2.1. Giới thiệu về phản ứng methane hóa CO2
• 2.2. Nhiệt động học của phản ứng
• 2.3. Cơ chế phản ứng
• 2.4. Xúc tác của quá trình methane hóa CO2
• 2.4.1. Khái quát về xúc tác sử dụng cho phản ứng methane hóa CO2
• 2.4.2. Xúc tác trên cơ sở Ni
• 2.5. Chất mang ZrO2
• 2.6. Động học của phản ứng
• 2.7. Thách thức cơ bản của quá trình
• 2.7.1. Độ bền của CO2
• 2.7.2. Sự mất hoạt tính của xúc tác
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Điều chế tổng hợp xúc tác
• 3.1.1. Hóa chất sử dụng
• 3.1.2. Dụng cụ, thiết bị
• 3.1.3. Điều chế chất mang
• 3.1.3.1. Điều chế chất mang bằng phương pháp thủy nhiệt
• 3.1.3.2. Điều chế chất mang bằng phương pháp sol-gel
• 3.1.4. Đưa pha hoạt động (nickel) lên trên chất mang bằng phương pháp tẩm
• 3.2. Kỹ thuật nghiên cứu tính chất lý-hóa của xúc tác
• 3.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.2.2. Xác định bề mặt riêng bằng phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt BET
• 3.2.3. Khử theo chương trình nhiệt độ (TPR)
• 3.2.4. Phương pháp giải hấp CO2 theo chương trình nhiệt độ (CO2-TPD)
• 3.2.5. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS)
• 3.2.6. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.2.7. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 3.3. Đánh giá hoạt tính xúc tác
• 3.3.1. Thông số phản ứng
• 3.3.2. Quy trình thực hiện
• 3.3.2.1. Quy trình hoạt hóa xúc tác
• 3.3.2.2. Quy trình thực hiện phản ứng
• 3.3.2.3. Phân tích hỗn hợp khí
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH CHẤT LÝ-HÓA CỦA CÁC XÚC TÁC
• 4.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 4.1.1. Kết quả XRD của xúc tác Ni/ZrO2 với ZrO2 được tổng hợp bằng phương pháp và điều kiện nung khác nhau
• 4.1.2. Kết XRD của xúc tác Ni/ZrO2 với ZrO2 được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel có hàm lượng Ni thay đổi
• 4.1.3. Kết quả XRD của xúc tác Ni/ZrO2 với ZrO2 tổng hợp bằng phương pháp sol-gel và có điều kiện khử khác nhau
• 4.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 4.3. Khử hydro theo chương trình nhiệt độ (H2-TPR)
• 4.4. Giải hấp CO2 theo chương trình nhiệt độ (CO2-TPD)
• 4.5. Diện tích bề mặt riêng (BET)
• 4.6. Ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 4.7. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS)
• 5. CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH XÚC TÁC
• 5.1. Ảnh hưởng của phương pháp tổng hợp xúc tác
• 5.2. Ảnh hưởng của điều kiện nung chất mang ZrO2 tổng hợp bằng phương pháp sol-gel
• 5.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
• 5.2.2. Ảnh hưởng của thời gian nung
• 5.3. Ảnh hưởng của hàm lượng Ni
• 5.4. Ảnh hưởng của điều kiện khử xúc tác Ni/ZrO2 với chất mang ZrO2 tổng hợp bằng phương pháp sol-gel
• 5.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ khử xúc tác
• 5.4.2. Ảnh hưởng của thời gian khử
• 5.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng nhập liệu
• 5.6. Ảnh hưởng của CO đến quá trình methane hóa CO2
• 5.7. Đánh giá độ bền
• 5.7.1. Khảo sát lượng cốc lắng đọng
• 5.8. So sánh hoạt tính của Ni/ZrO2 với một số xúc tác khác
• 5.9. Nhận xét kết quả
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo xúc tác Ni ZrO2

Nghiên cứu chế tạo xúc tác Ni/ZrO2 cho phản ứng methane hóa CO2 đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực hóa học và năng lượng. Phản ứng này không chỉ giúp giảm thiểu lượng khí CO2 trong khí quyển mà còn tạo ra khí methane, một nguồn năng lượng sạch. Việc phát triển xúc tác hiệu quả là chìa khóa để tối ưu hóa quá trình này. Nghiên cứu này sẽ trình bày các phương pháp chế tạo xúc tác, đặc điểm của xúc tác Ni/ZrO2 và ứng dụng của nó trong phản ứng methane hóa CO2.

1.1. Tại sao chọn Ni ZrO2 cho phản ứng methane hóa CO2

Xúc tác Ni/ZrO2 được lựa chọn do tính chất hoạt động cao và khả năng ổn định trong điều kiện phản ứng khắc nghiệt. Ni là một kim loại chuyển tiếp có khả năng hoạt hóa CO2, trong khi ZrO2 cung cấp một nền tảng vững chắc cho xúc tác. Sự kết hợp này tạo ra một hệ xúc tác hiệu quả cho phản ứng methane hóa CO2.

1.2. Lịch sử nghiên cứu xúc tác Ni ZrO2

Nghiên cứu về xúc tác Ni/ZrO2 đã bắt đầu từ những năm 2000, với nhiều công trình nghiên cứu chỉ ra rằng xúc tác này có khả năng chuyển hóa CO2 thành methane với hiệu suất cao. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc tối ưu hóa điều kiện chế tạo và hoạt tính của xúc tác.

II. Thách thức trong phản ứng methane hóa CO2

Mặc dù phản ứng methane hóa CO2 có tiềm năng lớn, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức cần giải quyết. Độ bền của xúc tác, sự mất hoạt tính và hiệu suất chuyển hóa CO2 là những vấn đề chính. Việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của xúc tác là rất quan trọng để phát triển các giải pháp hiệu quả.

2.1. Độ bền của xúc tác Ni ZrO2

Độ bền của xúc tác Ni/ZrO2 là một yếu tố quan trọng trong quá trình methane hóa CO2. Các nghiên cứu cho thấy rằng xúc tác này có thể bị mất hoạt tính do sự hình thành cốc trong quá trình phản ứng. Việc tối ưu hóa điều kiện phản ứng có thể giúp cải thiện độ bền của xúc tác.

2.2. Sự mất hoạt tính của xúc tác

Sự mất hoạt tính của xúc tác Ni/ZrO2 thường xảy ra do sự tích tụ cốc và sự thay đổi cấu trúc của xúc tác. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh hàm lượng Ni và điều kiện khử có thể giúp giảm thiểu hiện tượng này.

III. Phương pháp chế tạo xúc tác Ni ZrO2 hiệu quả

Để chế tạo xúc tác Ni/ZrO2, có nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp sol-gel và thủy nhiệt. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến tính chất và hoạt tính của xúc tác.

3.1. Phương pháp sol gel trong chế tạo xúc tác

Phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp phổ biến để chế tạo xúc tác Ni/ZrO2. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước hạt và cấu trúc của xúc tác, từ đó nâng cao hoạt tính của nó trong phản ứng methane hóa CO2.

3.2. Phương pháp thủy nhiệt trong chế tạo xúc tác

Phương pháp thủy nhiệt cũng được sử dụng để chế tạo xúc tác Ni/ZrO2. Phương pháp này giúp tạo ra các hạt xúc tác với kích thước đồng đều và tính chất hóa lý ổn định, góp phần nâng cao hiệu suất phản ứng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của xúc tác Ni ZrO2

Xúc tác Ni/ZrO2 không chỉ có ứng dụng trong nghiên cứu mà còn có tiềm năng lớn trong công nghiệp. Việc chuyển hóa CO2 thành methane có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra nguồn năng lượng sạch. Các ứng dụng thực tiễn của xúc tác này đang được nghiên cứu và phát triển.

4.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp năng lượng

Xúc tác Ni/ZrO2 có thể được sử dụng trong các nhà máy sản xuất năng lượng để chuyển hóa CO2 thành methane, từ đó tạo ra nguồn năng lượng sạch và bền vững. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu khí thải mà còn tạo ra giá trị kinh tế.

4.2. Ứng dụng trong xử lý khí thải

Xúc tác Ni/ZrO2 cũng có thể được áp dụng trong các hệ thống xử lý khí thải, giúp giảm thiểu lượng CO2 phát thải từ các nhà máy công nghiệp. Việc này góp phần bảo vệ môi trường và cải thiện chất lượng không khí.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo xúc tác Ni/ZrO2 cho phản ứng methane hóa CO2 đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc giảm thiểu khí thải CO2 và tạo ra nguồn năng lượng sạch. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp hiệu quả hơn cho vấn đề biến đổi khí hậu.

5.1. Triển vọng nghiên cứu xúc tác Ni ZrO2

Triển vọng nghiên cứu xúc tác Ni/ZrO2 rất sáng sủa, với nhiều hướng đi mới trong việc tối ưu hóa hoạt tính và độ bền của xúc tác. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế tạo mới và cải thiện hiệu suất của xúc tác.

5.2. Tương lai của phản ứng methane hóa CO2

Phản ứng methane hóa CO2 có tiềm năng lớn trong việc giải quyết vấn đề năng lượng và môi trường. Tương lai của nghiên cứu này sẽ phụ thuộc vào việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến quy trình sản xuất để đạt được hiệu quả cao hơn.