Studie av vattnets inverkan på oxidationskatalysatorer för biogasapplikationer

Transkript

1 Studie av vattnets inverkan på oxidationskatalysatorer för biogasapplikationer Start: April 2015 Slut: Mars Chalmers (huvudstödmottagare) - FFI - Energi & Miljö. - Projektnummer: P Koordinator: Per Anders Carlsson - Doktorand: Peter Velin Stödsumma ksek (Energimyndigheten) ksek (Johnsson Matthey AB) Peter Velin 1

2 Fördelar med biogas & naturgas som fordonsbränsle ögt väte-till-kol förhållande ger mycket energi per utsläppt C 2. Förbränning leder till generellt låga utsläpp av N x, S x och partiklar. Partiell eller total substitution med biogas ger ökade miljövinster. C 2 2 C 4 Peter Velin 3

3 Utmaningar med biogas & naturgas som fordonsbränsle Metan är en betydligt mer potent växthusgas än C 2. Vattenånga har en starkt inhiberande effekt på metanoxidation över traditionella palladium-baserade katalysatorer. N 2 2 C 2 2 C 4 N 2 2 C 2 C 4 2 Pd partikel 4

4 Projektupplägg Vattentåliga oxidationskatalysatorer AP 4 (Johnson Matthey) Syntes, design och material AP 2 (Chalmers) Metod och experimentuppställning AP 3 (Chalmers) Vattnets inverkan på modellkatalysatorer AP 1 (Johnson Matthey) Specificera relevanta temperaturer, gaskompositioner och katalysatorkomponenter Peter Velin 2

5 Portabel generator av ultraren vattenånga 2, 2, Ar 2, Ar Peter Velin 7

6 Botten-upp metodik Peter Velin 5

7 DRIFTS teknik som möjliggör detektering av ytbundna molekyler på provet Peter Velin 8

8 Experimentell procedur för DRIFTS Syrgasflöde Våt metanoxidation Torr metanoxidation Syrgasflöde Peter Velin 9

9 Metanoxidation över rent Pd pulver vid 440 C utan & med 1% vattenånga C C Minskad katalytisk aktivitet i närvaro av vattenånga Peter Velin 10

10 Metanoxidation över rent Pd pulver vid 440 C utan & med 1% vattenånga C C Peter Velin

11 Metanoxidation över rent Pd pulver vid 440 C utan & med 1% vattenånga C C C 4 (g) Peter Velin

12 Metanoxidation över rent Pd pulver vid 440 C utan & med 1% vattenånga C C (g) C 4 (g) Peter Velin

13 Metanoxidation över rent Pd pulver vid 440 C utan & med 1% vattenånga C C (g) 2 (g) borttaget C 4 (g) Peter Velin

14 Metanoxidation över rent Pd pulver vid 440 C utan & med 1% vattenånga Inga ytbundna molekyler detekterade. 2 (g) 2 (g) borttaget C 4 (g)? Pd Peter Velin

15 Ingen metanoxidation över g-al C Vattenångans närvaro leder till 1 negativ och 4 positiva absorptionstoppar med hög stabilitet. Peter Velin

16 440 C Ingen metanoxidation över g-al 2 3 Vattenångans närvaro leder till 1 negativ och 4 positiva absorptionstoppar med hög stabilitet g-al 2 3 Peter Velin

17 Metanoxidation över Pd/g-Al 2 3 (värmebehandlad vid 900 C) 440 C Det blå spektrumet taget under våt metanoxidation påminner om bärarmaterialets. Ökad täckning av hydroxylgrupper från metanoxidation i torra förhållanden Pd/g-Al 2 3 värmebehandlad vid 900 C = Pd Peter Velin

18 Metanoxidation över Pd/g-Al 2 3 (värmebehandlad vid 500 C) 440 C Färre absorptionstoppar detekterade vid låg värmebehandling. Små palladiumkluster blockerar troligen dessa säten Pd/g-Al 2 3 värmebehandlad vid 500 C = Pd Peter Velin

19 Små vs stora palladiumpartiklar Pd/g-Al 2 3 värmebehandlad vid 900 C Små palladiumpartiklar är aktivare än stora i vått och torrt. Pd/g-Al 2 3 värmebehandlad vid 500 C = Pd Peter Velin

20 C 4 omsättning (%) 24 timmars våt metanoxidation över Pd/g-Al 2 3 (värmebehandlad vid 500 C) Tid (tim) 20

21 C 4 omsättning (%) 24 timmars våt metanoxidation över Pd/g-Al 2 3 (värmebehandlad vid 500 C) Långsam aktivitetsminsking - Ökad täckning av hydroxylgrupper Tid (tim) Pd/g-Al 2 3 värmebehandlad vid 500 C 21

22 C 4 omsättning (%) 24 timmars våt metanoxidation över Pd/g-Al 2 3 (värmebehandlad vid 500 C) Långsam aktivitetsminsking - Ökad täckning av hydroxylgrupper Tid (tim) Pd/g-Al 2 3 värmebehandlad vid 500 C 22

23 C 4 omsättning (%) 24 timmars våt metanoxidation över Pd/g-Al 2 3 (värmebehandlad vid 500 C) Långsam aktivitetsminsking - Ökad täckning av hydroxylgrupper Tid (tim) 3500 Pd/g-Al 2 3 värmebehandlad vid 500 C 23

24 C 4 omsättning (%) 24 timmars våt metanoxidation över Pd/g-Al 2 3 (värmebehandlad vid 500 C) Långsam aktivitetsminsking - Ökad partikelstorlek kan leda till att fler Al 3+ säten som tidigare varit blockerade finns tillgängliga Tid (tim) Pd/g-Al 2 3 värmebehandlad vid 500 C 24

25 C 4 omsättning (%) 24 timmars våt metanoxidation över Pd/g-Al 2 3 (värmebehandlad vid 500 C) Långsam aktivitetsminsking - Ökad partikelstorlek kan leda till att fler Al 3+ säten som tidigare varit blockerade finns tillgängliga Tid (tim) Pd/g-Al 2 3 värmebehandlad vid 500 C 25

26 C 4 omsättning (%) 24 timmars våt metanoxidation över Pd/g-Al 2 3 (värmebehandlad vid 500 C) Långsam aktivitetsminsking - Ökad partikelstorlek kan leda till att fler Al 3+ säten som tidigare varit blockerade finns tillgängliga Tid (tim) Pd/g-Al 2 3 värmebehandlad vid 500 C 26

27 Sammanfattning Vattenånga inhiberar metanoxidation över Pd men inga ytbundna molekyler kunde detekteras. Minskad katalytisk aktivitet för metanoxidation över Pd/Al 2 3 katalysatorer efter kort och lång exponering i närvaro av vattenånga. Peter Velin

28 Stort tack till Per-Anders Carlsson Magnus Skoglundh Gudmund Smedler Agnes Raj David Thompsett Peter Velin