การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อใช้กับเซลเชื้อเพลิงไฮโดรเจนในเชิงพาณิชย์

Abstract

งานวิจัยนี้ศึกษาตัวเร่งปฏิกริริยาประเภทโลหะโนเบลบนตัวรองรับอลูมินาที่ถูก โปรโมทด้วยซีเรียมออกไซด์และเซอร์โคมีเนียมออกไซด์เพื่อนำไปใช้กับปฏิกิริยาการเผาไหม้ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อทำการศึกษาคุณสมบัติของตัวรองรับที่ได้ ซึ่งปัจจัยที่ต้องการศึกษาคือปริมาณสัดส่วนของซีเรียมออกไซด์ต่อเซอร์โคมีเนียมออกไซด์บนอลูมินาออกไซด์ วิธีการเตรียมตัวรองรับ และชนิดของโลหะที่อมเพรคลงบนตัวรองรับ ตัวเร่งปฏิกิริยาตามสภาวะดังกล่าวจะถูกนำไปทดสอบความว่องไวในการเกิดปฎิกิริยาการเผาไหม้ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ จากการทดลองพบว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีการใช้ตัวรองรับเป็นโลหะ-ออกไซด์ผสมที่สัดส่วนอลูมินาร้อยละ60 ซีเรียมออกไซด์ร้อยละ32 เซอร์ดคเนียมออกไซด์ร้อยละ8 สามารถกำจัดก๊า.คาร์บอนมอนอกไซด์ได้สมบูรณ์ที่อุณหภูมิต่ำสุด 170 องศาเซลเซียส สัดส่วนดังกล่าวที่ถูกใช้เป็นสัดส่วนของตัวรองรับ เพื่อใช้ทดสอบวิธีการเตรียมตัวรองรับที่ส่งผลต่อความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยา ที่ประกอบด้วย วิธีโซลเจล วิธีโซลเจลขั้นตอนเดียว วิธีตกตะกอนร่วม วิธีอิมเพรคเนชันและวิธีผสมโลหะออกไซด์โดยตรง จากการวิเคราะห์พบว่าวิธีการเตรียมตัวรองรับที่ต่างกันจะให้พื้นที่ผิวจำเพาะที่แตกต่างกัน โดยวิธีโซลเจลขั้นตอนเดียวจะให้พื้นที่ผิวจำเพาะสูงสุด ซึ่งมีค่าประมาณ 195ตารางเมตรต่อกรัม นอกจากนี้สารตัวอย่างจะถูกนำไปวิเคราะห์โครงสร้างและขนาดผลึกด้วยเครื่องเอ็กซ์เรย์ดิฟแฟรคชัน ในการวิเคราะห์นี้พบว่าวิธีการเตรียมจะส่งผลต่อโครงสร้างของตัวเร่งปฏิกิริยา การเตรียมโดยวิธีโซลเจล โซลเจล-ขั้นตอนเดียวและวิธีตกตะกอนร่วมให้โครงสร้างสารประกอบซีเรียมเซอร์โคเนียมออกไซด์ ส่วนวิธีอืมเพรคเนชันและวิธีผสมสารประกอบออกไซด์ให้โครงสร้างสารประกอบซีเรียมออกไซด์กับเซอร์ดคมีเนียมออกไซด์ โดยวิธีโซลเจลขั้นตอนเดียวให้ขนาดผลึกเล็กสุด ซึ่งมีขนาดเท่ากับ6.3 นาโนเมตร จากนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้ทั้งหมดถูกนำมาทดสอบความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยา พบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมด้วยวิธีโซลเจล วิธีตกตะกอนร่วม และวิธีอิมเพรคเนชัน ให้ค่าร้อยละการเปลี่ยนแปลงก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ที่ใกล้เคียงกัน โดยก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ถูกเปลี่ยนเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อย่างสมบูรณืที่อุณหภูมิประมาณ 170องศาเซลเซียส ในส่วนการศึกษาชนิดโลหะที่ส่งผลต่อความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยากำจัดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งทำการศึกษาโลหะ 3ชนิด ประกอบด้วย รูทิเทียม แพลทินัมและแพลเลเดียม จาการทดลองพบว่า โลหะรูทิเนียม สามารถกำจัดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ได้สมบูรณ์ที่อุณหภูมิต่ำที่สุด คือ 150 องศาเซลเซียส ขณะที่โลหะแพลทินัมและโลหะแพลเลเดียม สามารถกำจัดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ได้สมบูรณืที่อุณหภูมิ 170 องศาเซลเซียส และ 190 องศาเซลเซียส ตามลำดับ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้ถูกนำไปทดสอบความว่องไวในปฎิกิริยาการเลือกเกิดก๊าซก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ออกซิเดชัน พบว่า ตัวเร่งปฎิกิริยาประเภทแพลทินัมบนตัวรองรับซีเรียมออกไซด์และเซอร์โคมีเนียมออกไซด์ เร่งปฎิกิริยาไฮโดรเจนออกซิเดชัน ได้ดีกว่าปฎิกิริยาการเผาไหม้ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ จึงทำให้ไม่สามารถกำจัดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ได้หมด และออกซิเจนถูกใช้ไปกับปฏิกิริยาไฮโดรเจนออกซิเดชันจึงทำให้ค่าการเลือกปฎิกิริยาการเผาไหม้ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์มีค่าน้อย

The current work is devoted to the study of noble metals over promoted alumina for CO oxidation reaction. An objective of this work is to investigate the parameters affecting physical properties of mixed oxide supports including cerium oxide, zicronium oxide and aluminium oxide. These parameters were the weight ratio of cerium oxide to zicronium oxide, preparation methods and types of noble metals. All support with different weight ratios of cerium oxide to zicronium oxide were separately impregnated with 1% Pt loading and tested their activities to CO oxidation. The results showed that the catalyst contained 32%CeO2, 8%CrO2 and 59%Al2O3 in the support showed the best performance to CO oxcidation. CO completely converted to CO2 at170 C. Then, the preparration methods were studied with this composition of supports. The results showed that support prepared by single step sol gel offered the highest specific surface area of 195 m2/g, while support prepared by impregnation offered the lowest specific surface of 89.8 m2/g. XRD was used to determine crystalline size and structure of oxide in the supports. The results showed that support by single step sol gel and sol-gel methods obtained Ce2Zr2O7 while supports prepared by other methods obtained CeO2 and ZrO2. It was also found that crystallize sizes of particle affected specific surface areas of the supports. A support prepared by single step sol gel had the smallest crystalline size . Therefore, it has the highest specific surface area. Futhermore, all supports were impregnated with 1%Pt loading and were tested their sctivities to CO oxidation . The results showed that catalysts whose support prepared by co-precipitation, sol-gel and impregnation performed quite similar activities to CO oxidation. Moreover,types of noble metals were studied. The results showed that Ru provided the highest activity to CO oxidation comparing to Pt and Pd. Catalyst containing 1%Ru completely converted CO to Co2 at 150 C while catalyst containing 1%Pt and 1%Pd completely converted Co to Co2 at 170 c and 190 C,respectively. Pt over promoted alumina support seemed to be active to the reaction at low temparatures. However at temparatures above 120 C, Ru was more active to the reaction at than Pt. then, at temparatures above 150 C, both metals showed the semilar activity to CO oxidation. Futher investigation was conducted to selective CO oxidation in the presence of excess H2. The results showed that although the presence of ZrO2 in the support increased the CO oxidationin the H2-free stream. the catalyst was not active to CO oxidation but active to H2 oxidation.