Particle Size Effects of Carbon Supported Nickel Nanoparticles for High Pressure CO2 Methanation

Supported nickel nanoparticles are promising catalysts for the methanation of CO2. The role of nickel particle size on activity and selectivity in this reaction is a matter of debate. We present a study of metal particle size effects on catalytic stability, activity and selectivity, using nickel on graphitic carbon catalysts. Increasing the Ni particle size from 4 to 8 nm led to a higher catalytic activity, both per gram of nickel and normalized surface area. However, the apparent activation energy remained the same (∼105 kJ mol−1). Comparing experiments at atmospheric to 30 bar pressure demonstrates the importance of testing under industrially relevant pressures; the highest selectivity is obtained at high CO2 conversions and pressures. Finally, the selectivity was particle size-dependent. The largest particles were not only most active but also most selective to methane. With this work we contribute to the ongoing debate about Ni particle size effects in CO2 methanation

Vers des catalyseurs de type Ni@silice anti-cokage et anti-frittage pour le reformage à sec du méthane

Le reformage à sec du méthane est un processus de conversion de CH4 et CO2 en H2 et CO ou gaz de synthèse avec un rapport molaire de 1, lequel peut servir comme matière première pour la production de carburant liquide par Fischer-Tropsch. Les catalyseurs à base de nickel sont des candidats prometteurs pour cette réaction. Ils présentent une très bonne activité, sont peu coûteux et sont plus disponibles en comparaison avec les matériaux à base de métaux nobles, mais ils se désactivent par frittage et dépôt du coke. La stabilisation de Ni par confinement et/ou par amélioration de la dispersion et de l'interaction des nanoparticules avec la silice font/fait partie des méthodes les plus efficaces et moins coûteuses pour lutter contre la désactivation lors du reformage, ce qui correspond à l’objectif principal de ce travail. Ainsi, de nouveaux catalyseurs à base de Ni, ont été synthétisés, caractérisés et testés en catalyse de reformage à sec de CH4. Trois points principaux ont été examinés: (i) Le test de l’efficacité de nouveaux supports mésoporeux (MCF) en variant la nature des précurseurs de Ni (sels ou colloïdes) incorporés par imprégnation ou synthèse directe après ajustement du pH, (ii) la préparation de monolithes mésoporeux de type SBA-15 avec une très bonne dispersion de Ni incorporé par voie « one-pot », (iii) le contrôle de la dispersion, de la taille des particules de Ni et donc de l’interaction avec de la silice non poreuse via la formation de phyllosilicates de Ni. Au final, les monolithes de type SBA-15 incluant Ni par voie « one-pot » et les particules de Ni0 issues de la réduction des phyllosilicates se sont avérés être les catalyseurs les plus performants.Dry reforming of methane is a process for the conversion of CH4 and CO2 into “syngas”, a gaseous mixture of H2 and CO (with a molar ratio value of 1) that can serve as feedstock for the production of liquid fuel by the mean of Fischer-Tropsch procedure. Nickel-based catalysts are promising candidates for this reaction displaying high activity, lower cost and wider availability than noble metal-based materials but deactivating by sintering and/or coke deposition. Stabilization of Ni0 nanoparticles within siliceous supports either by confinement and/or by improving their dispersion and interaction with the support are among the best and the less expensive methods to overcome the deactivation in dry reforming which represents the main objective for this work. Here, new stable nickel-based catalysts were synthesized, characterized and tested in dry reforming. Three main issues were examined: (i) Testing the efficiency of new mesoporous supports (mesocellular silica foams) using different nickel precursors (salt or colloidal form) incorporated by impregnations or pH adjustment assisted one-pot methods, (ii) designing highly dispersed nickel-based mesoporous monoliths through an original sol-gel method (iii) controlling the nickel size, dispersion and therefore its interaction with the support onto non-porous silica carriers by the mean of phyllosilicates. Monoliths of the SBA-15 type incorporating Ni0 by a one-pot method, and Ni0 obtained through the reduction of nickel phyllosilicates turned out to be the most stable and efficient catalysts

Mesocellular silica foam-based Ni catalysts for dry reforming of CH4 (by CO2)

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Influence of the swelling agents of siliceous mesocellular foams on the performances of Ni-based methane dry reforming catalysts

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