Deidrogenazione catalitica di cherosene per la produzione di H2 "on-board": studio della disattivazione dei catalizzatori

Questo lavoro di tesi è stato sviluppato nell’ambito del progetto europeo “GREEN AIR” (7FP – Transport), svolto in collaborazione con diversi enti europei, pubblici e privati. Si tratta di un programma finalizzato alla produzione di idrogeno “on – board” per deidrogenazione catalitica di cherosene avio, da alimentare ad un sistema di fuel cells per la produzione dell’energia elettrica necessaria al funzionamento della strumentazione e dei sistemi di comando degli aeroplani. In questo lavoro di tesi ci si è concentrati sullo studio dei meccanismi di reazione e disattivazione coinvolti nella reazione di deidrogenazione di carburanti. Sono stati studiati approfonditamente le caratteristiche peculiari della reazione di deidrogenazione di miscele complesse di idrocarburi, ponendo particolare attenzione ai meccanismi di disattivazione. Lo studio è stato affrontato, prima analizzando la disattivazione per formazione di depositi carboniosi, utilizzando catalizzatori classici per reazioni di deidrogenazione ed alimentando miscele di idrocarburi prive da zolfo, quindi la disattivazione data da quest'ultimo elemento proponendo una serie di catalizzatori a base di fosfuri. I primi studi si sono concentrati su sistemi Pt-Sn supportati su allumina, utilizzati industrialmente per la produzione di olefine leggere a partire da miscele semplici di alcani, il cui comportamento è noto, nella seconda parte sono stati presi in considerazione sistemi a base di CoP e Ni2P, originariamente progettati per la reazione di idrodesolforazione. In conclusione, è stato possibile individuare gli aspetti chiave relativi ai meccanismi di disattivazione dei sistemi catalitici tradizionalmente impiegati nella deidrogenazione. In particolare ha permesso di individuare interessanti possibilità per ridurre, attraverso la rigenerazione e la riduzione del fenomeno di disattivazione, l’impatto del costo del catalizzatore sul processo. Inoltre sono stati individuati sistemi alternativi per la produzione di idrogeno molto interessanti, mettendo in luce gli aspetti che necessitano di essere ancora approfonditi per ottimizzarne l’applicazione.

Deidrogenazione catalitica di idrocarburi per la produzione di H2 "on-board"

Lo studio della deidrogenazione catalitica di idrocarburi affronta uno dei problemi principali per l'applicazione delle fuel cells in aeromobili. La conversione di miscele di idrocarburi in H2 può essere eseguita in loco, evitando le difficoltà di stoccaggio dell'idrogeno: l'H2 prodotto è privo di CO e CO2 e può essere alimentato direttamente alle celle a combustibile per dare energia ai sistemi ausiliari, mentre i prodotti deidrogenati, mantenendo le loro originali caratteristiche possono essere riutilizzati come carburante. In questo un lavoro è stato effettuato uno studio approfondito sulla deidrogenazione parziale (PDH) di diverse miscele di idrocarburi e carburante avio JetA1 desolforato utilizzando Pt-Sn/Al2O3, con l'obiettivo di mettere in luce i principali parametri (condizioni di reazione e composizione di catalizzatore) coinvolti nel processo di deidrogenazione. Inoltre, la PDH di miscele idrocarburiche e di Jet-A1 ha evidenziato che il problema principale in questa reazione è la disattivazione del catalizzatore, a causa della formazione di residui carboniosi e dell’avvelenamento da zolfo. Il meccanismo di disattivazione da residui carboniosi è stato studiato a fondo, essendo uno dei principali fattori che influenzano la vita del catalizzatore e di conseguenza l'applicabilità processo. Alimentando molecole modello separatamente, è stato possibile discriminare le classi di composti che sono coinvolti principalmente nella produzione di H2 o nell’avvelenamento del catalizzatore. Una riduzione parziale della velocità di disattivazione è stata ottenuta modulando l'acidità del catalizzatore al fine di ottimizzare le condizioni di reazione. I catalizzatori Pt-Sn modificati hanno mostrato ottimi risultati in termini di attività, ma soffrono di una disattivazione rapida in presenza di zolfo. Così, la sfida finale di questa ricerca era sviluppare un sistema catalitico in grado di lavorare in condizioni reali con carburante ad alto tenore di zolfo, in questo campo sono stati studiati due nuove classi di materiali: Ni e Co fosfuri supportati su SiO2 e catalizzatori Pd-Pt/Al2O3.

Green synthesis of polypyrrole-supported metal catalysts: application to nitrate removal in water

Pt and Pt/Sn catalysts supported on polypyrrole (PPy) have been prepared using Ar plasma to reduce the metal precursors dispersed on the polymer. The PPy support was synthesized by chemical polymerization of pyrrole with FeCl3·6H2O, this leading to the conducting form of the polymer (conductimetric measurements). The Ar plasma treatment produced a partial reduction of platinum ions, anchored as platinum chloro-complexes to the PPy chain, into metallic platinum. A homogeneous distribution of Pt and Sn nanoparticles was observed by TEM. Activity of the PPy-supported catalysts was evaluated in the reduction of aqueous nitrate with H2 at room temperature. Nitrate concentration in water below the maximum acceptable level of 50 mg L−1 was achieved with all catalysts. However, considering not only efficiency in nitrate reduction, but also minimized concentrations of undesired nitrite and ammonium, the monometallic Pt catalyst seems to be the most promising one.

Platinum–rhodium–tin/carbon electrocatalysts for ethanol oxidation in acid media: effect of the precursor addition order and the amount of tin

Carbon-supported Pt x –Rh y –Sn z catalysts (x:y:z = 3:1:4, 6:2:4, 9:3:4) are prepared by Pt, Rh, and Sn precursors reduction in different addition order. The materials are characterized by X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy techniques and are evaluated for the electrooxidation of ethanol in acidic media by cyclic voltammetry, chronoamperometry, and anode potentiostatic polarization. The influence of both the order in which the precursors are added and the composition of metals in the catalysts on the electrocatalytic activity and physico-chemical characteristics of Pt x –Rh y –Sn z /C catalysts is evaluated. Oxidized Rh species prevail on the surface of catalysts synthesized by simultaneous co-precipitation, thus demonstrating the influence of synthesis method on the oxidation state of catalysts. Furthermore, high amounts of Sn in composites synthesized by co-precipitation result in very active catalysts at low potentials (bifunctional effect), while medium Sn load is needed for sequentially deposited catalysts when the electronic effect is most important (high potentials), since more exposed Pt and Rh sites are needed on the catalyst surface to alcohol oxidation. The Pt3–Rh1–Sn4/C catalyst prepared by co-precipitation is the most active at potentials lower than 0.55 V (related to bifunctional effect), while the Pt6–Rh2–Sn4/C catalyst, prepared by sequential precipitation (first Rh and, after drying, Pt + Sn), is the most active above 0.55 V.

Sn-modified Pt/SAPO-11 catalysts for selective hydroisomerization of n-paraffins

The hydroconversion of n-paraffins is a key reaction in hydrodewaxing of lubricating base oil. In this paper, we investigate the performance of Pt/SAPO-11 catalysts for isomerization of n-paraffins by the model compound of n-dodecane. Under this experimental condition, yields of feed isomers as well as cracking products are a function of the total n-dodecane conversion. Primary products are methylundecane while multi-brancheds and cracking products are formed in successive reactions. The result shows that the addition of Sn increases the selectivity for isomerization reaction. The most ideal experimental data for hydroconversion of n-dodecane is that the selectivity of isomerized products gets 90% when conversion of n-dodecane is 90% for the Sn-promoted Pt/SAPO-11 catalyst.

Estudo da eletrocatálise da reação de oxidação de etanol sobre fases intermetálicas ordenadas Pt-M (M = Mn,Mo, Pb, Sb e Sn)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Estudo da eletrocatálise das reações de oxidação de ácido fórmico e metanol sobre fases intermetálicas ordenadas Pt-M(M = Mn, Mo, Pb, Sb e Sn)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estudo da adsorção e oxidação do monóxido de carbono sobre as fases intermetálicas ordenadas Pt-M(M = Mn, Pb, Sb e Sn)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Catalisadores 'PT' e 'PTSN' modificados com 'SN''O IND.2' para a oxidação eletroquímica de etanol

Pós-graduação em Química - IQ

Biobutanol as Fuel for Direct Alcohol Fuel Cells-Investigation of Sn-Modified Pt Catalyst for Butanol Electro-oxidation

Direct alcohol fuel cells (DAFCs) mostly use low molecular weight alcohols such as methanol and ethanol as fuels. However, short-chain alcohol molecules have a relative high membrane crossover rate in DAFCs and a low energy density. Long chain alcohols such as butanol have a higher energy density, as well as a lower membrane crossover rate compared to methanol and ethanol. Although a significant number of studies have been dedicated to low molecular weight alcohols in DAFCs, very few studies are available for longer chain alcohols such as butanol. A significant development in the production of biobutanol and its proposed application as an alternative fuel to gasoline in the past decade makes butanol an interesting candidate fuel for fuel cells. Different butanol isomers were compared in this study on various Pt and PtSn bimetallic catalysts for their electro-oxidation activities in acidic media. Clear distinctive behaviors were observed for each of the different butanol isomers using cyclic voltammetry (CV), indicating a difference in activity and the mechanism of oxidation. The voltammograms of both n-butanol and iso-butanol showed similar characteristic features, indicating a similar reaction mechanism, whereas 2-butanol showed completely different features; for example, it did not show any indication of poisoning. Ter-butanol was found to be inactive for oxidation on Pt. In situ FTIR and CV analysis showed that OHads was essential for the oxidation of primary butanol isomers which only forms at high potentials on Pt. In order to enhance the water oxidation and produce OHads at lower potentials, Pt was modified by the oxophilic metal Sn and the bimetallic PtSn was studied for the oxidation of butanol isomers. A significant enhancement in the oxidation of the 1° butanol isomers was observed on addition of Sn to the Pt, resulting in an oxidation peak at a potential ∼520 mV lower than that found on pure Pt. The higher activity of PtSn was attributed to the bifunctional mechanism on PtSn catalyst. The positive influence of Sn was also confirmed in the PtSn nanoparticle catalyst prepared by the modification of commercial Pt/C nanoparticle and a higher activity was observed for PtSn (3:1) composition. The temperature-dependent data showed that the activation energy for butanol oxidation reaction over PtSn/C is lower than that over Pt/C.

The effect of electrochemical lithiation on physicochemical properties of RF-sputtered Sn thin films

Thin films of Sn were deposited on Pt/Si substrates by sputtering technique and subjected to electrochemical lithiation studies. Electrochemical lithiation of Sn resulted in the formation of Sn-Li alloys of different compositions. Charging of Sn-coated Pt/Si electrodes was terminated at different potentials and the electrodes were examined for physicochemical properties. The scanning electron microscopy and atomic force microscopy images suggested that the Sn films expanded on lithiation. Roughness of the film increased with an increase in the quantity of Li present in Sn-Li alloy. Electrochemical impedance data suggested that the kinetics of charging became sluggish with an increase in the quantity of Li in Sn-Li alloy.

Um método SN híbrido direto para cálculos de sistemas combustível-moderador em geometria unidimensional

Desenvolvemos nesta dissertação um método híbrido direto para o cálculo do fator de desvantagem e descrição da distribuição do fluxo de nêutrons em sistemas combustível-moderador. Na modelagem matemática, utilizamos a equação de transporte de Boltzmann independente do tempo, considerando espalhamento linearmente anisotrópico no modelo monoenergético e espalhamento isotrópico no modelo multigrupo, na formulação de ordenadas discretas (SN), em geometria unidimensional. Desenvolvemos nesta dissertação um método híbrido direto para o cálculo do fator de desvantagem e descrição da distribuição do fluxo de nêutrons em sistemas combustível-moderador. Na modelagem matemática, utilizamos a equação de transporte de Boltzmann independente do tempo, considerando espalhamento linearmente anisotrópico no modelo monoenergético e espalhamento isotrópico no modelo multigrupo, na formulação de ordenadas discretas (SN), em geometria unidimensional. Descrevemos uma análise espectral das equações de ordenadas discretas (SN)a um grupo e a dois grupos de energia, onde seguimos uma analogia com o método de Case. Utilizamos, neste método, quadraturas angulares diferentes no combustível (NC) e no moderador (NM), onde em geral assumimos que NC > NM . Condições de continuidade especiais que acoplam os fluxos angulares que emergem do combustível (moderador) e incidem no moderador (combustível), foram utilizadas com base na equivalência entre as equações SN e PN-1, o que caracteriza a propriedade híbrida do modelo proposto. Sendo um método híbrido direto, utilizamos as NC + NM equações lineares e algébricas constituídas pelas (NC + NM)/2 condições de contorno reflexivas e (NC + NM)/2 condições de continuidade para determinarmos as NC + NM constantes. Com essas constantes podemos calcular os valores dos fluxos angulares e dos fluxos escalares em qualquer ponto do domínio. Apresentamos resultados numéricos para ilustrar a eficiência e a precisão do método proposto.