Nuestra civilización depende fuertemente de los combustibles fósiles como el petróleo,
el gas natural, carbón. El incremento en la concentración de CO2, uno de los principales
gases de efecto invernadero, se debe a la continua quema de combustibles fósiles. El
hidrógeno es un combustibles limpio que no emite CO2 cuando es quemado o usado en
celdas de combustibles de H2-O2. Uno de los métodos realistas para producir hidrógeno
sin emisiones de CO2 es la utilización de metano como fuente de hidrógeno a través de
un enfoque catalítico.
En este trabajo, la descomposición catalítica de metano para la producción de
hidrógeno fue investigada usando catalizadores monometálicos de Au y bimetálicos Au-
Ni. Los materiales de soporte usados en la preparación de los catalizadores fueron carbón
activado, Al-MCM-41 y SBA-15. Dos métodos de síntesis (impregnación y depósito por
precipitación) fueron utilizados para soportar la fase activa en los soportes. Todos los
catalizadores fueron caracterizados usando varias técnicas como difracción de rayos X,
adsorción de N2, espectroscopía UV-vis, reducción a temperatura programada (RTP),
quimisorción de H2, microscopía electrónica de transmisión, y espectroscopía raman. La
reacción de descomposición de metano se llevó a cabo en un micro reactor en un rango de
temperaturas de 500 a 700 C. El efluente fue analizado por cromatografía de gases.
En general, los catalizadores Au/C y Au/Al-MCM-41 sintetizados por la técnica de
impregnación dieron partículas de un tamaño mayor a 100 nm y los catalizadores Au/C sintetizados por la técnica de depósito por precipitación mostraron tamaños de 5 a 10 nm.
Aunque estos resultados fueron interesantes, la actividad catalítica no se correlacionó con
el tamaño de partícula. Por otro lado, todos los catalizadores bimetálicos Au-Ni fueron
más activos que los catalizadores monometálicos. Los catalizadores más efectivos para la
descomposición catalítica de metano fueron la serie de catalizadores de Au-Ni/SBA-15.
La conversión de metano sobre los catalizadores Au-Ni/SBA-15 fue aproximadamente
del 15 % a una temperatura de reacción de 600 C. No se detectó CO o CO2 en todos los
experimentos realizados.
Se asume que la adición de Au en catalizadores de Ni decrementa la deshidrogenación
de metano, en contraste incrementa la concentración de especies Chx en la superficie de
los catalizadores. Por lo tanto, la adición de Au mejora significativamente la estabilidad
del catalizador. No se observó una significativa desactivación del catalizador durante
un periodo de 15 horas de evaluación a diferentes velocidades espaciales, los cuales
mostraron una mejor estabilidad en comparación con catalizadores como Cu-Ni/Al2O3
and Ni-Cu/SiO2.
Los análisis de las espectroscopías raman confirman que se formaron dos tipos de carbón
en el catalizador después de la reacción: uno fue identificado como nanotubos de
carbón mientras que el otro se identificó como carbón amorfo, dando lugar al encapsulamiento
de la fase activa. En los catalizadores bimetálicos, se formó menos carbón amorfo
que en los catalizadores monometálicos. Esto es una de las razones responsables de
la estabilidad catalítica del catalizador bimetálico. Los experimentos de quimisorción de
hidrógeno mostraron que antes de la reacción, los catalizadores Au-Ni/SBA-15 tienen una
gran capacidad de adsorción de hidrógeno y posible almacenamiento de este; sin embargo,
después de la reacción, su capacidad de adsorción de hidrógeno fue reducido debido
a la formación de carbón amorfo y al incremento del tamaño de partícula activa. Estos
resultados indican que es posible utilizar los catalizadores Au-Ni/SBA-15 tanto para producción
de hidrógeno como para almacenamiento de este mismo.Our present civilization strongly depends upon fossil fuels such as petroleum, natural
gas and coal. The increase in the concentration of CO2, a major green house effect gas in
the atmosphere, is due to the continuous burning of such fossil fuels. Hydrogen is a clean
fuel that emits no CO2 when it is burned or used in H2–O2 fuel cells. One of the realistic
methods to produce hydrogen with less CO2 emission is to utilize methane as the source
of hydrogen through a catalytic approach.
In the present work, the catalytic decomposition of methane for hydrogen production
was investigated by using monometallic Au and bimetallic Au-Ni catalysts. The support
materials used in the catalysts preparation were activated carbon, Al-MCM-41 and
SBA-15. Two synthesis methods (impregnation and deposition by precipitation) were
applied to uptake the active phases on the support. All the catalysts were characterized
using various techniques such as X-ray diffraction, N2 adsorption isotherms, UVvis
spectroscopy, temperature-programmed reduction, H2 chemisorption, transmission
electron microscopy, scanning electron microscopy, electron dispersive spectroscopy
and Raman spectroscopy. The methane decomposition reaction was carried out in a
microreactor system at a temperature range from 500 to 700 C. The product effluent
was analyzed by gas chromatography.
In general, the catalysts Au/C and Au/Al-MCM-41 synthesized by the impregnation
technique gave gold particle sizes greater than 100 nm and the catalysts Au/C synthesized by the deposition-precipitation technique showed particle sizes from 5 up to 10 nm.
Although these results were interesting, the catalytic activity was not correlated with the
Au nanoparticles. On the other hand, all the bimetallic Au-Ni catalysts were more active
than the monometallic catalysts. The most effective catalysts for methane decomposition
were the series of catalysts Au-Ni/SBA-15. The methane conversions over the Au-
Ni/SBA-15 catalysts were approximately 15 % at a reaction temperature of 600 C. All
the experiments, hydrogen was the gaseous product, no CO or CO2 was detected.
It is assumed that Au addition into Ni catalysts might improve dehydrogenation of
methane and increased the concentration of CHx species in the surface of the catalysts.
Therefore, Au addition significantly enhanced the catalyst activity and stability. During a
period of 15 hr evaluation under different space velocity, no obvious catalytic deactivation
was observed on our catalysts, which showed much better stability in comparison with
the Cu-Ni/Al2O3 and Ni-Cu/SiO2 catalysts.
Raman spectroscopy analysis confirmed that two kinds of carbon materials were
formed on the catalysts after reaction: one was carbon nanotube and the other was
amorphous carbon. The amorphous carbon usually covers on the surface of the catalysts,
leading to active phase encapsulation. In the bimetallic catalysts, amorphous carbon
materials were much less than that formed on the monometallic catalysts. This is one
of the reasons responsible for the enhancement of the catalytic activity of the bimetallic
catalysts. Hydrogen chemisorption experiments showed that before the reaction, Au-
Ni/SBA-15 catalysts have large capacity for hydrogen adsorption and possible storage;
however, after reaction, their capacity for hydrogen adsorption was reduced because of
the formation of amorphous carbon and increment of active particle size. This results
indicated that it is possible to use Au-Ni/SBA-15 catalysts for both hydrogen production
and hydrogen storage.MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA QUÍMICAPD
