Design and evaluation of advanced CeO2-based transition metal catalytic composites for CO2 activation by renewable H2 toward synthetic CH4 and CO

Abstract

The development of remarkably active and cost-efficient catalytic materials via a rational design procedure and their subsequent employment in various energy/environmental applications is one of the most significant research focuses in the field of heterogeneous catalysis. To this end, the present thesis aims at the fine-tuning of transition metal catalysts (i.e., Cu, Co, Ni, Fe) supported on ceria, CeO2, via advanced synthesis and promotion routes. Throughout this thesis it was revealed that the adjustment of shape and size and additionally the appropriate promotion of ceria-based metal oxides can exert significant effects on the catalytic performance of the prepared samples, by inducing modifications in various key properties of the metal-ceria system and in turn on the metal-support interactions, effectively attaining remarkably active and stable catalysts for the environmentally important reaction of CO2 hydrogenation. Also, promising results were acquired through pilot-scale catalytic experiments for the most promising material derived from this thesis (i.e., Ni/CeO2-nanorods) and it was next disclosed that a real-scale process employing this material for the production of synthetic natural gas via CO2 hydrogenation may potentially prove to be advantageous from both a techno-economic and environmental feasibility standpoint.In the framework of the thesis, the combined effect of the distinct nanomorphology of ceria (NX = nanorods, nanopolyhedra, nanocubes) via hydrothermally synthesized samples and the nature of the active metal phase were firstly explored. It was seen that the dependence of the catalytic activity on the morphology of CeO2 nanoparticles was more or less negligible, whereas the catalytic activity in terms of CO2 conversion and CO/CH4 selectivity values was practically determined by the impregnated metal on CeO2 nanoparticles, with Ni-based and Co-based samples being mostly selective towards methane formation and Cu- and Fe-based catalyst producing predominantly CO. As for CO2 conversion, the values followed the order; Ni/CeO2-NX > Co/CeO2-NX > Cu/CeO2-NX > Fe/CeO2-NX ~ CeO2-NX. In all, Ni/CeO2-NR and Cu/CeO2-NR were the most active materials for the Sabatier and rWGS reaction, attaining equilibrium product yields at as low as 300 and 430 oC, respectively, attributed to the higher redox properties and the highest abundance of fully reduced metallic entities at the low-temperature regime.Next, the effect of Cs addition in variable Cs loadings (0-4 Cs atoms/nm2) of co-precipitated Cu/CeO2 samples was investigated, with the scope of evaluating the effect of alkali promotion on the catalytic activity and specifically the product distribution. Notably, it was revealed that whereas Cs induced a reduction in the conversion of CO2, at the same time it increased the selectivity towards CO up to a loading of 2 Cs atoms/nm2, stabilized at higher Cs content values. These interesting results were tentatively attributed to Cs-induced changes in various catalytic properties, i.e., the drastic decrease of BET surface area, increased basicity, stabilization of partially reduced copper species and the increased CO desorption capacity.As for the further optimization of nickel-ceria catalysts, the effect of nickel loading (and in turn Ni particle size) was subsequently explored over a series of Ni/CeO2-NR catalysts with variable Ni/Ce atomic ratios, between 0.10 and 1.50. Increasing Ni loadings proved to be largely beneficial for the catalytic activity, with the optimum performance attained for the sample with Ni/Ce = 1. Notably, all samples showed remarkably high catalytic CO2 methanation activity comparable or even superior to the state-of-the-art nickel-ceria composites reported in the literature. Even more importantly, by means of a detailed structure-sensitivity analysis, the balance between adequately lengthy nickel-ceria periphery and increased density of highly under-coordinated Ni corner sites offered from NiCe-1.00 sample was deemed to be essential for the maximum intrinsic reactivity.The effect of structural promotion was assessed over various mixed ZnO-CeO2-NR oxides with variable Zn/Ce atomic ratios of 0.2, 0.4 and 0.6 as well pure ZnO, which were also used as supports for the impregnation of 8% wt. Ni (atomic ratio Ni/Ce = 0.20). The results showed that all the as-synthesized mixed oxides and Ni/ZnO-CeO2-NR samples attained practically the same catalytic activity. Most importantly, however, and in complete contrast to the performance of Ni/CeO2-NR, all ZnO-containing samples demonstrated high CO yield values between 300-450 oC, indicating the ZnO-induced shift in the reaction pathway. This behavior was ascribed to the modifications induced by ZnO in various properties and specifically the decrease in the BET surface area, reducibility, surface basicity and CO adsorption capacity. Advancing from the aforementioned results in the lab-scale and towards the scaling-up of the thesis results, the pilot-scale performance of a structured pellet catalyst based on Ni/CeO2-NR using the complex oxide NZP as a substrate (in a mass composition of 10% Ni/CeO2-NR and 90% NZP) under variable reaction conditions was subsequently explored. The volume and mass scaling factors compared to lab-scale experiments were 64:1 and 77:1, respectively. It must be stated at this point that the synthesis of the structured catalyst was made by MIRTEC S.A. and the manufacturing of the pilot-scale unit was realized by HELBIO S.A., in the framework of the project NANOCO2. The results showcased the high performance of the as-prepared structured catalyst, while a stable performance (70% CH4 yield) for an 80-h period at GHSV = 8,200 h-1, 300 oC and 1 bar was demonstrated.Lastly, the techno-economical and sustainability assessment of a real-scale process based on Ni/CeO2-NR for the production of synthetic natural gas combining RES-powered water electrolysis for H2 generation and the amine-based capture of CO2 from the flue gases of a cement plant was evaluated. It was found through a sensitivity analysis that under realistic projections for key metrics such as RES subsidizing, the proposed process has the potential to be both financially and environmentally attractive.Collectively, through the present thesis, the key role of the hydrothermal synthesis method as well as the nature of the metal phase in the determination of the conversion of CO2 and product distribution was disclosed, showcasing the synergy between both functional units of the catalyst and the remarkably high activity and versatility of the investigated metal-ceria catalysts towards various applications. Also, it was demonstrated that promotion with appropriate metals such as Cs and Zn can significantly alter the catalyst properties (i.e., BET surface area, surface acidity/basicity, reducibility, and CO adsorption affinity), leading to modifications in the reaction pathway and in turn to variabilities in the values of CO/CH4 selectivity. Also, the content of the impregnated metal can exert important alterations in the interactions in the vicinity of the metal-ceria periphery, as well as in the metal particle size/dispersion and coordination number. Indeed, the former may induce variabilities in the extent of solid solution formation and oxygen vacancy concentration, whilst the latter can in effect provide a local electronic environment in the vicinity of metal particles that is associated with optimized metal-support interactions and maximal abundance of intrinsically active sites. Lastly, promising results under variable reaction conditions and long-term stability tests were attained from pilot-scale experiments, showcasing the potential for further scaling-up of a CO2 hydrogenation process involving the optimum as-studied materials in the thesis as a basis for a structured catalyst. This was also corroborated by a detailed techno-economic and environmental assessment of a large-scale proposed CO2 hydrogenation integrated scheme involving Ni/CeO2-NR, which served as a preliminary validation of its financial and environmental sustainability under realistic projections.

Η ανάπτυξη ενεργών και οικονομικά ανταγωνιστικών καταλυτικών υλικών μέσω μίας γενικότερης διεργασίας βελτιστοποίησης και η μετέπειτα αξιοποίησή τους σε διάφορες εφαρμογές ενεργειακού και περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος αποτελεί μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις που αφορούν το πεδίο της ετερογενούς κατάλυσης. Προς τούτο, η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην εξειδικευμένη τροποποίηση και εκτενή φυσικοχημικό χαρακτηρισμό καταλυτών μετάλλων μετάπτωσης της ομάδας 3-d (συγκεκριμένα Cu, Co, Ni, Fe) υποστηριγμένα σε οξείδιο του δημητρίου, CeO2, μέσω προηγμένων μεθόδων σύνθεσης και προώθησης για την αξιολόγησή τους στην αντίδραση της υδρογόνωσης του διοξειδίου του άνθρακα. Κατά την εκπόνηση της διατριβής διαφάνηκε ότι η τροποποίηση του μεγέθους και της μορφολογίας καταλυτών οξειδίων μετάλλων βασισμένων σε CeO2 επηρεάζει σημαντικά την απόδοσή τους στην εν λόγω αντίδραση, μέσω παρατηρούμενων διαφορών σε διάφορες καταλυτικά σημαντικές ιδιότητες καθώς και στις αλληλεπιδράσεις μετάλλου-φορέα, οδηγώντας σε αρκετά ενεργά καταλυτικά συστήματα υψηλής σταθερότητας. Επίσης, ενθαρρυντικά αποτελέσματα ελήφθησαν μέσω πειραμάτων πιλοτικής κλίμακας για το βέλτιστο υλικό που προέκυψε στη διάρκεια της διατριβής και σε επόμενο επίπεδο βρέθηκε μέσω αναλυτικής τεχνικο-οικονομικής και περιβαλλοντικής ανάλυσης ότι μία πραγματική διεργασία παραγωγής συνθετικού φυσικού αερίου μέσω υδρογόνωσης CO2 βασισμένη σε αυτό το υλικό δύναται να είναι βιώσιμη, λαμβάνοντας υπόψη ρεαλιστικές προβλέψεις για μελλοντικά σενάρια στα πλαίσια ανάλυσης ευαισθησίας.Πιο συγκεκριμένα, στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, μελετήθηκε αρχικά η συνδυαστική επίδραση της διακριτής νανομορφολογίας σωματιδίων οξειδίου του δημητρίου παρασκευασμένα με την υδροθερμική μέθοδο (ΝΧ = νανοκύβοι, νανοράβδοι, νανοπολύεδρα) και της φύσης της μεταλλικής ενεργής φάσης (Cu, Co, Ni, Fe). Η επίδραση της μορφολογίας των νανοσωματιδίων CeO2 ήταν σχετικά αμελητέα ως προς την καταλυτική συμπεριφορά των υλικών. Αντιθέτως, οι τιμές μετατροπής CO2 κι εκλεκτικότητας σε CO/CH4 εμφάνισαν ισχυρή επίδραση από τη διαφορετική μεταλλική φάση, καθώς οι καταλύτες Ni και Co εμφάνισαν ισχυρή ενεργότητα ως προς την παραγωγή μεθανίου, ενώ οι καταλύτες Cu και Fe ευνόησαν κυρίως την παραγωγή CO. Οι τιμές μετατροπής του CO2 ακολούθησαν την ακόλουθη φθίνουσα σειρά: Ni/CeO2-NX > Co/CeO2-NX > Cu/CeO2-NX > Fe/CeO2-NX ~ CeO2-NX, ενώ οι πιο ενεργοί καταλύτες ως προς την αντίδραση παραγωγής CH4 και CO, αποδίδοντας τις θερμοδυναμικά μέγιστες τιμές σε θερμοκρασίες 300 και 430 oC ήταν τα υλικά Ni/CeO2-NR και Cu/CeO2-NR, αντιστοίχως. Η συμπεριφορά αυτή αποδόθηκε κατά κύριο λόγο στις αυξημένες αναγωγικές ιδιότητές τους, καθώς εμφάνισαν τον υψηλότερο πληθυσμό πλήρως ανηγμένων μεταλλικών ειδών σε χαμηλές θερμοκρασίες αναγωγικού περιβάλλοντος.Στη συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση της προσθήκης αλκαλικού προωθητή σε υλικά Cu/CeO2 παρασκευασμένα με τη μέθοδο της συγκαταβύθισης. Η προώθηση πραγματοποιήθηκε με χρήση καισίου σε διαφορετικές ατομικές φορτίσεις, ήτοι 0-4 Cs atoms/nm2). Βρέθηκε ότι παρόλο που η προσθήκη Cs επέδρασε αρνητικά ως προς τη μετατροπή του CO2, ευνόησε σημαντικά την εκλεκτικότητας προς CO, μέχρι τη βέλτιστη φόρτιση 2 Cs atoms/nm2. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης αποδόθηκαν στις επαγόμενες από την προσθήκη του αλκαλικού προωθητή Cs σε μία σειρά καταλυτικών ιδιοτήτων. Συγκεκριμένα, η σταδιακή προσθήκη υψηλότερων ποσοτήτων Cs μείωσε μονότονα την ειδική επιφάνεια, αύξησε την επιφανειακή βασικότητα, σταθεροποίησε τα μερικώς ανηγμένα επιφανειακά είδη χαλκού και αύξησε την ικανότητα εκρόφησης των επιφανειακών ειδών CO στην αέρια φάση.Ως προς τη βελτιστοποίηση των καταλυτών νικελίου-δημητρίας, η επίδραση της φόρτισης Ni (και συνεπώς του μεγέθους των σωματιδίων Ni) μελετήθηκε σε επόμενο στάδιο. Έτσι, συντέθηκαν καταλύτες της μορφής Ni/CeO2-NR-x, όπου με x συμβολίζεται ο ατομικός λόγος Ni/Ce που μεταβλήθηκε μεταξύ 0.10 και 1.50. Παρατηρήθηκε ότι η αύξηση του ποσοστού Ni είχε σημαντικά θετική επίδραση στην καταλυτική συμπεριφορά, ειδικά στην κινητική περιοχή, με τη βέλτιστη συμπεριφορά να αποδίδεται στο δείγμα Ni/CeO2-NR-1.00. Σε κάθε περίπτωση, όλα τα δείγματα εμφάνισαν υψηλή ενεργότητα ως προς τη μεθανίωση του CO2 σε θερμοκρασίες χαμηλότερες των 320 oC και πρακτικά μηδενική παραγωγή CO, ενώ τα παρόντα αποτελέσματα είναι από τα υψηλότερα που εμφανίζονται σε αντίστοιχα συστήματα στη σχετική βιβλιογραφία. Πέραν αυτού, ακόμα σημαντικότερα συμπεράσματα εξήχθησαν από την επακόλουθη συσχέτιση μεταξύ δομής και καταλυτικής ενεργότητας. Συγκεκριμένα, μέσω λεπτομερούς ανάλυσης των αποτελεσμάτων, καταδείχθηκε το συμπέρασμα ότι το βέλτιστο μέγεθος σωματιδίων Ni για την επίτευξη της μέγιστης εγγενούς δραστικότητας είναι ~ 20 nm, καθώς έτσι επιτυγχάνεται η βέλτιστη ισορροπία μεταξύ επαρκούς έκτασης της διεπιφάνειας νικελίου-δημητρίας και της πυκνότητας των γωνιακών κέντρων, που σχετίζονται με χαμηλό αριθμό συντονισμού, σε σωματίδια Ni κυβο-οκταεδρικής γεωμετρίας.Στη συνέχεια διερευνήθηκε η επιφανειακή προώθηση μέσω οξειδίου του ψευδαργύρου, ZnO, με τη σύνθεση μικτών οξειδίων ZnO-CeO2-ΝR μέσω τροποποιημένης υδροθερμικής μεθόδου. Σε πρώτη φάση μελετήθηκε η επίδραση του ατομικού λόγου Zn/Ce = 0.2, 0.4 και 0.6, σε σκέτα μικτά οξείδια και καθαρό ZnO και σε καταλύτες νικελίου (με ατομικό λόγο Ni/Ce = 0.2) υποστηριγμένων στα μικτά αυτά οξείδια και σε ZnO, ως προς την καταλυτική συμπεριφορά. Παρατηρήθηκε ότι ο λόγος Zn/Ce δεν επηρέασε σημαντικά την καταλυτική συμπεριφορά, τόσο των σκέτων οξειδίων όσο και των δειγμάτων έπειτα από την προσθήκη του νικελίου. Ωστόσο, σε πλήρη αντίθεση με τη συμπεριφορά του υλικού Ni/CeO2-NR, τα δείγματα Ni/ZnO και Ni/ZnO-CeO2-NR εμφάνισαν πολύ υψηλές τιμές εκλεκτικότητας σε CO, καταστέλλοντας σε μεγάλο βαθμό τη μεθανίωση του CO2 μεταξύ 300 - 450 oC, καταδεικνύοντας το ρόλο του προωθητή ZnO ως προς τον καθορισμό του μηχανισμού της αντίδρασης. Η συμπεριφορά αυτή αποδόθηκε στην επαγόμενη από τα είδη ZnO μείωση της ειδικής επιφάνειας, της αναγωγισιμότητας, της επιφανειακής βασικότητας και της ικανότητας ρόφησης CO εν συγκρίσει με το δείγμα Ni/CeO2-NR. Σε επόμενο στάδιο, πραγματοποιήθηκαν μελέτες πιλοτικής κλίμακας, βασιζόμενες στο βέλτιστο υλικό που προέκυψε από τη διατριβή, και συγκεκριμένα του Ni/CeO2-NR. Πιο συγκεκριμένα, το καταλυτικό υλικό εμβαπτίστηκε σε κατάλληλο κεραμικό υπόστρωμα της γενικής κατηγορίας NZP (σε αναλογία μαζών 10% Ni/CeO2-NR και 90% NZP) για την παρασκευή του δομημένου καταλυτικού συστήματος. Η καταλυτική συμπεριφορά του δομημένου καταλύτη αξιολογήθηκε σε συνθήκες κλιμάκωσης 74:1 και 66:1 κατά μάζα και όγκο κλίνης, αντίστοιχα και υπό διάφορες συνθήκες αντίδρασης. Σημειώνεται ότι στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος NANOCO2, η σύνθεση των δομημένων καταλυτών πραγματοποιήθηκε στις εγκαταστάσεις της εταιρείας ΕΒΕΤΑΜ Α.Ε. στη Χαλκίδα, ενώ η κατασκευή της μονάδας πιλοτικών δοκιμών και ο καταλυτικός αντιδραστήρας πραγματοποιήθηκαν στις εγκαταστάσεις της εταιρείας ΕΛΒΙΟ Α.Ε., στην Πάτρα.Τα αποτελέσματα σύνθεσης έδειξαν επιτυχή κάλυψη του κεραμικού υποστρώματος από το καταλυτικό υλικό, δημιουργώντας μία συνολική δομή υψηλού πορώδους. Εξάλλου, κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων κλιμάκωσης μεγέθους παρατηρήθηκε υψηλή ενεργότητα υπό μεταβλητές συνθήκες αντίδρασης, ενώ η μελέτη σταθερότητας (διάρκειας 80 h) κατέδειξε υψηλή τιμή παραγωγής CH4 (περίπου 70%) σε ωριαία ταχύτητα χώρου 8,200 h-1, θερμοκρασία 300 oC και 1 bar.H παρούσα διατριβή ολοκληρώνεται παρουσιάζοντας τα αποτελέσματα τεχνικο-οικονομικής και περιβαλλοντικής ανάλυσης βιωσιμότητας μίας προτεινόμενης διεργασίας μεγάλης κλίμακας για την παραγωγή συνθετικού φυσικού αερίου μέσω της υδρογόνωσης του CO2 από H2 προερχόμενο από ηλεκτρόλυση νερού τροφοδοτούμενη από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και CO2 που προέρχεται από μονάδα δέσμευσης από τα απαέρια μίας βιομηχανίας παραγωγής τσιμέντου. Μέσω της διεξαχθείσας μελέτης και της ανάλυσης ευαισθησίας, καταδείχθηκε η δυνητική οικονομική και περιβαλλοντική βιωσιμότητα της διεργασίας, λαμβάνοντας υπόψη ρεαλιστικά μελλοντικά σενάρια για σημαντικές παραμέτρους, όπως το ποσοστό επιχορήγησης για επένδυση σε τεχνολογίες ΑΠΕ.Συμπερασματικά, μέσω της παρούσας διατριβής, καταδείχθηκε ο σημαντικός ρόλος της υδροθερμικής μεθόδου σύνθεσης και ταυτόχρονα της προσθήκης διάφορων μεταλλικών φάσεων σε καταλύτες βασισμένους σε οξείδιο του δημητρίου ως προς την καταλυτική ενεργότητα στην αντίδραση της υδρογόνωσης του CO2, τόσο ως προς τις τιμές μετατροπής του CO2 όσο και ως προς την κατανομή των προϊόντων της αντίδρασης. Μέσω των διεξαχθέντων πειραματικών δοκιμών διαφάνηκε η συνεργιστική δράση των δύο λειτουργικών μονάδων των μελετημένων καταλυτικών συστημάτων (μέταλλο + φορέας), καθώς και η υψηλή ενεργότητα και σταθερότητα για διάφορες εφαρμογές. Επιπροσθέτως, καταδείχθηκε η σημαντική επίδραση της προώθησης των καταλυτών με προσθήκη κατάλληλων μετάλλων, ήτοι Cs και Zn, σε διάφορες καταλυτικές ιδιότητες (ειδική επιφάνεια, επιφανειακή βασικότητα, αναγωγισιμότητα, ικανότητα προσρόφησης CO). Οι επαγόμενες από την προσθήκη προωθητών τροποποιήσεις των καταλυτικών ιδιοτήτων οδήγησαν σε σημαντικές μεταβολές στο μηχανισμό της αντίδρασης και συνεπακόλουθα στις τιμές εκλεκτικότητας είτε ως προς CO είτε ως προς CH4. Εξάλλου, η φόρτιση της μεταλλικής φάσης μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τόσο τις αλληλεπιδράσεις στη διεπιφάνεια μετάλλου-δημητρίας όσο και το μέγεθος, τη διασπορά και τον αριθμό συντονισμού των μεταλλικών σωματιδίων.Τέλος, ενθαρρυντικά αποτελέσματα ελήφθησαν έπειτα από δοκιμές πιλοτικής κλίμακας σε δομημένο καταλύτη υπό μεταβλητές συνθήκες αντίδρασης και μελέτης σταθερότητας 80 h σε πιλοτική κλίμακα. Τα προκαταρκτικά αυτά αποτελέσματα καταδεικνύουν τη δυνατότητα περαιτέρω κλιμάκωσης μεγέθους της διεργασίας, βασισμένης στα βέλτιστα υλικά που προέκυψαν από την παρούσα διατριβή. Το συμπέρασμα αυτό ισχυροποιήθηκε ακόμα περισσότερο έπειτα από την εκπόνηση τεχνικο-οικονομικής και περιβαλλοντικής μελέτης μίας προτεινόμενης, ολοκληρωμένης διεργασίας υδρογόνωσης CO2 σε μεγάλη κλίμακα, από την οποία προέκυψε η δυνητική βιωσιμότητα αυτής λαμβάνοντας υπόψη ρεαλιστικές μελλοντικές συνθήκες.