Size-controlled TiO2 nanoparticles on porous hosts for enhanced photocatalytic hydrogen production

Nanocystalline TiO2 particles were successfully synthesized on porous hosts (SBA-15 and ZSM-15) via a sol-gel impregnation method. Resulting nanocomposites were characterized by XRD, TEM, BET surface analysis, Raman and UV-vis diffuse reflectance spectroscopy, and their photocatalytic activity for H2 production evaluated. XRD evidences the formation of anatase nanoparticles over both ZSM-5 and SBA-15 porous supports, with TEM highlighting a strong particle size dependence on titania precursor concentration. Photocatalytic activities of TiO2/ZSM-5 and TiO2/SBA-15 composites were significantly enhanced compared to pure TiO2, owing to the smaller TiO2 particle size and higher surface area of the former. TiO2 loadings over the porous supports and concomitant photocatalytic hydrogen production were optimized with respect to light absorption, available surface reaction sites and particle size. 10%TiO2/ZSM-5 and 20%TiO2/SBA-15 proved the most active photocatalysts, exhibiting extraordinary hydrogen evolution rates of 10,000 and 8800μmolgTiO2 -1 h-1 under full arc, associated with high external quantum efficiencies of 12.6% and 5.4% respectively under 365nm irradiation.

Hydrogen production by steam reforming of DME in a large scale CFB reactor. Part I:computational model and predictions

This study presents a computational fluid dynamic (CFD) study of Dimethyl Ether steam reforming (DME-SR) in a large scale Circulating Fluidized Bed (CFB) reactor. The CFD model is based on Eulerian-Eulerian dispersed flow and solved using commercial software (ANSYS FLUENT). The DME-SR reactions scheme and kinetics in the presence of a bifunctional catalyst of CuO/ZnO/Al2O3+ZSM-5 were incorporated in the model using in-house developed user-defined function. The model was validated by comparing the predictions with experimental data from the literature. The results revealed for the first time detailed CFB reactor hydrodynamics, gas residence time, temperature distribution and product gas composition at a selected operating condition of 300 °C and steam to DME mass ratio of 3 (molar ratio of 7.62). The spatial variation in the gas species concentrations suggests the existence of three distinct reaction zones but limited temperature variations. The DME conversion and hydrogen yield were found to be 87% and 59% respectively, resulting in a product gas consisting of 72 mol% hydrogen. In part II of this study, the model presented here will be used to optimize the reactor design and study the effect of operating conditions on the reactor performance and products.

Photodeposition as a facile route to tunable Pt photocatalysts for hydrogen production:on the role of methanol

Photodeposition of H2PtCl6 in the presence of methanol promotes the formation of highly dispersed, metallic Pt nanoparticles over titania, likely via capture of photogenerated holes by the alcohol to produce an excess of surface electrons for substrate-mediated transfer to Pt complexes, resulting in a high density of surface nucleation sites for Pt reduction. Photocatalytic hydrogen production from water is proportional to the surface density of Pt metal co-catalyst, and hence photodeposition in the presence of high methanol concentrations affords a facile route to optimising photocatalyst design and highlights the importance of tuning co-catalyst properties in photocatalysis.

Novel Ni-Mg-Al-Ca catalyst for enhanced hydrogen production for the pyrolysis-gasification of a biomass/plastic mixture

A Ni-Mg-Al-Ca catalyst was prepared by a co-precipitation method for hydrogen production from polymeric materials. The prepared catalyst was designed for both the steam cracking of hydrocarbons and for the in situ absorption of CO2 via enhancement of the water-gas shift reaction. The influence of Ca content in the catalyst and catalyst calcination temperature in relation to the pyrolysis-gasification of a wood sawdust/polypropylene mixture was investigated. The highest hydrogen yield of 39.6molH2/g Ni with H2/CO ratio of 1.90 was obtained in the presence of the Ca containing catalyst of molar ratio Ni:Mg:Al:Ca=1:1:1:4, calcined at 500°C. In addition, thermogravimetric and morphology analyses of the reacted catalysts revealed that Ca introduction into the Ni-Mg-Al catalyst prevented the deposition of filamentous carbon on the catalyst surface. Furthermore, all metals were well dispersed in the catalyst after the pyrolysis-gasification process with 20-30nm of NiO sized particles observed after the gasification without significant aggregation.

Pore confinement effects and stabilization of carbon nitride oligomers in macroporous silica for photocatalytic hydrogen production

An ordered macroporous host (mac-SiO2) has been used to prevent aggregation of layered photocatalysts based on carbon nitride. Using typical carbon nitride synthesis conditions, cyanamide was condensed at 550 °C in the presence and absence of mac-SiO2. Condensation in the absence of mac-SiO2 results in materials with structural characteristics consistent with the carbon nitride, melon, accompanied by ca. 2 wt% carbonization. For mac-SiO2 supported materials, condensation occurs with greater carbonization (ca. 6 wt%). On addition of 3 wt% Pt cocatalyst photocatalytic hydrogen production under visible light is found to be up to 10 times greater for the supported composites. Time-resolved photoluminescence spectroscopy shows that excited state relaxation is more rapid for the mac-SiO2 supported materials suggesting faster electron-hole recombination and that supported carbon nitride does not exhibit improved charge separation. CO2 temperature programmed desorption indicates that enhanced photoactivity of supported carbon nitride is attributable to an increased surface area compared to bulk carbon nitride and an increase in the concentration of weakly basic catalytic sites, consistent with carbon nitride oligomers.

Clean hydrogen production and carbon dioxide capture methods

Fossil fuels constitute a significant fraction of the world's energy demand. The burning of fossil fuels emits huge amounts of carbon dioxide into the atmosphere. Therefore, the limited availability of fossil fuel resources and the environmental impact of their use require a change to alternative energy sources or carriers (such as hydrogen) in the foreseeable future. The development of methods to mitigate carbon dioxide emission into the atmosphere is equally important. Hence, extensive research has been carried out on the development of cost-effective technologies for carbon dioxide capture and techniques to establish hydrogen economy. Hydrogen is a clean energy fuel with a very high specific energy content of about 120MJ/kg and an energy density of 10Wh/kg. However, its potential is limited by the lack of environment-friendly production methods and a suitable storage medium. Conventional hydrogen production methods such as Steam-methane-reformation and Coal-gasification were modified by the inclusion of NaOH. The modified methods are thermodynamically more favorable and can be regarded as near-zero emission production routes. Further, suitable catalysts were employed to accelerate the proposed NaOH-assisted reactions and a relation between reaction yield and catalyst size has been established. A 1:1:1 molar mixture of LiAlH 4, NaNH2 and MgH2 were investigated as a potential hydrogen storage medium. The hydrogen desorption mechanism was explored using in-situ XRD and Raman Spectroscopy. Mesoporous metal oxides were assessed for CO2 capture at both power and non-power sectors. A 96.96% of mesoporous MgO (325 mesh size, surface area = 95.08 ± 1.5 m2/g) was converted to MgCO 3 at 350°C and 10 bars CO2. But the absorption capacity of 1h ball milled zinc oxide was low, 0.198 gCO2 /gZnO at 75°C and 10 bars CO2. Interestingly, 57% mass conversion of Fe and Fe 3O4 mixture to FeCO3 was observed at 200°C and 10 bars CO2. MgO, ZnO and Fe3O4 could be completely regenerated at 550°C, 250°C and 350°C respectively. Furthermore, the possible retrofit of MgO and a mixture of Fe and Fe3O 4 to a 300 MWe coal-fired power plant and iron making industry were also evaluated.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Research Update: Photoelectrochemical water splitting and photocatalytic hydrogen production using ferrites (MFe2O4) under visible light irradiation

The utilization of solar light for the photoelectrochemical and photocatalytic production of molecular hydrogen from water is a scientific and technical challenge. Semiconductors with suitable properties to promote solar-driven water splitting are a desideratum. A hitherto rarely investigated group of semiconductors are ferrites with the empirical formula MFe2O4 and related compounds. This contribution summarizes the published results of the experimental investigations on the photoelectrochemical and photocatalytic properties of these compounds. It will be shown that the potential of this group of compounds in regard to the production of solar hydrogen has not been fully explored yet.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

A computational model of hydrogen production by steam reforming of dimethyl ether in a large scale CFB reactor. Part II:parametric analysis

This study presents a computational parametric analysis of DME steam reforming in a large scale Circulating Fluidized Bed (CFB) reactor. The Computational Fluid Dynamic (CFD) model used, which is based on Eulerian-Eulerian dispersed flow, has been developed and validated in Part I of this study [1]. The effect of the reactor inlet configuration, gas residence time, inlet temperature and steam to DME ratio on the overall reactor performance and products have all been investigated. The results have shown that the use of double sided solid feeding system remarkable improvement in the flow uniformity, but with limited effect on the reactions and products. The temperature has been found to play a dominant role in increasing the DME conversion and the hydrogen yield. According to the parametric analysis, it is recommended to run the CFB reactor at around 300 °C inlet temperature, 5.5 steam to DME molar ratio, 4 s gas residence time and 37,104 ml gcat -1 h-1 space velocity. At these conditions, the DME conversion and hydrogen molar concentration in the product gas were both found to be around 80%.

Tailored mesoporous silica supports for Ni catalysed hydrogen production from ethanol steam reforming

Mesoporous silica supported Ni nanoparticles have been investigated for hydrogen production from ethanol steam reforming. Ethanol reforming is structure-sensitive over Ni, and also dependent on support mesostructure; three-dimensional KIT-6 possessing interconnected mesopores offers superior metal dispersion, steam reforming activity, and on-stream stability against deactivation compared with a two-dimensional SBA-15 support.

Hydrogen production by enhanced methane reforming with membrane reactors or with CO2 capture materials

Pure hydrogen production from methane is a multi-step process run on a large scale for economic reasons. However, hydrogen can be produced in a one-pot continuous process for small scale applications, namely Low Temperature Steam Reforming. Here, Steam Reforming is carried out in a reactor whose walls are composed by a membrane selective toward hydrogen. Pd is the most used membrane material due to its high permeability and selectivity. However, Pd deteriorates at temperatures higher than 500°C, thus the operative temperature of the reaction has to be lowered. However, the employment of a membrane reactor may allow to give high yields thanks to hydrogen removal, which shifts the reaction toward the products. Moreover, pure hydrogen is produced. This work is concentrated on the synthesis of a catalytic system and the investigation of its performances in different processes, namely oxy-reforming, steam reforming and water gas shift, to find appropriate conditions for hydrogen production in a catalytic membrane reactor. The catalyst supports were CeZr and Zr oxides synthesized by microemulsion, impregnated with different noble metals. Pt, Rh and PtRh based catalysts were tested in the oxy reforming process at 500°C, where Rh on CeZr gave the most interesting results. On the opposite, the best performances in low temperature steam reforming were obtained with Rh impregnated on Zr oxide. This catalyst was selected to perform low temperature steam reforming in a Pd membrane reactor. The hydrogen removal given by the membrane allowed to increase the methane conversion over the equilibrium of a classical fixed bed reactor thanks to an equilibrium shift effect. High hydrogen production and recoveries were also obtained, and no other compound permeated through the membrane which proved to be hydrogen selective.

Application of an anaerobic packed-bed bioreactor for the production of hydrogen and organic acids

This study investigates the feasibility of an anaerobic bioreactor for treating low contents of organic matter to generate organic acids and hydrogen. The device employed for this purpose was a horizontal packed-bed bioreactor fed with glucose-based synthetic wastewater and operated with hydraulic retention times from 0.5 to 2 h. A microbial biofilm was developed without previous inoculation, using expanded clay beads (4.8-6.3 mm) as support material. Alkalinity was found to be the main parameter affecting the production of hydrogen and organic acids, and the system produced optimal output when operating without a buffer agent. The average hydrogen production was 2.48, 2.15 and 1.81 molH(2) mol(-1) of glucose for NaHCO3 influent concentrations of 0, 1000 and 2000 mg L-1, respectively. The operational regime of the bioreactor, the support material and the controlled alkalinity were effective in selecting and immobilizing microbial fermenting biofilms, which successfully produced hydrogen and organic acids throughout the operating period. Exploratory assays indicated the feasibility of organic acid extraction using an anionic polymeric resin. (C) 2007 International Association for Hydrogen Energy. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.