Un metodo di preparazione migliorato per CuO/CeO2

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9345 (2023) Citare questo articolo

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In questo studio, presentiamo un metodo per rivestire direttamente i monoliti con un catalizzatore CeO2/CuO utilizzando il metodo di combustione dell'urea-nitrato. Il catalizzatore è stato caratterizzato mediante misurazioni XRD, SEM/EDX ed EPR. Vengono descritti i risultati sperimentali, quando questo catalizzatore è stato utilizzato per l'ossidazione preferenziale di CO. L'attività catalitica per la reazione CO-PrOx è stata misurata registrando la conversione di CO in funzione della temperatura di reazione in una miscela di gas ricca di idrogeno in presenza e assenza di vapore acqueo. In un test a lungo termine di oltre 310 ore è stata dimostrata la stabilità a lungo termine del catalizzatore. Il rivestimento diretto si è dimostrato un approccio promettente grazie al quale è possibile depositare sul monolite in un unico passaggio una quantità maggiore di catalizzatore rispetto a quanto sarebbe possibile con i washcoat.

Per il funzionamento di una cella a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEFC), un gas combustibile ricco di idrogeno viene generato da idrogeno liquido che trasporta vettori energetici (ad esempio diesel, cherosene o metanolo) mediante la tecnologia di trattamento del combustibile. La prima fase del trattamento del combustibile è il reforming, spesso seguito dalla reazione di spostamento del gas acqua (WGS)1.

Quest'ultimo ha la funzione di diminuire la concentrazione di CO nel gas prodotto dal reforming da circa 8-10 vol.% a meno di 1 vol.%. Inoltre, il gas prodotto di un reattore WGS contiene tipicamente circa 35 vol.% di H2, 16 vol.% di CO2, 20 vol.% di H2O, 0,5 vol.% di Ar e da poche centinaia a poche migliaia di ppm di metano, nonché come altre tracce di idrocarburi superiori2,3,4,5, il resto al 100% è azoto. Tuttavia, per il funzionamento di un PEFC, la concentrazione di CO deve essere ulteriormente ridotta a valori < 100 ppm1,6. Questo viene spesso eseguito per mezzo di un reattore CO-PrOx (ossidazione preferenziale). Si prevede di utilizzare un supporto monolitico rivestito con un catalizzatore privo di metalli nobili in un futuro reattore PrOx a doppio stadio integrato termicamente.

Per la scelta del sistema catalitico, l'attenzione si è concentrata sulla catena del processo tecnico di un sistema di trattamento del carburante come descritto da Samsun et al.4. Il reattore CO-Prox deve integrarsi perfettamente nel sistema. La temperatura di progetto all'ingresso di un reattore PrOx deve quindi basarsi sulla temperatura di uscita del reattore WGS nell'intervallo 200–300 °C. Sulla base di un gran numero di promettenti risultati pubblicati7,8,9,10,11,12,13,14,15,16, il sistema catalitico CuO/CeO2 è stato scelto per svolgere questo compito. Di seguito riportiamo una sintesi mirata di questo catalizzatore su un supporto monolitico utilizzando il metodo di combustione dell'urea-nitrato.

Basandosi in particolare sul lavoro di Avgouropoulos et al.9, nonché di Barbatos et al.11 e Landi et al.14,16, monoliti ceramici realizzati in cordierite con una struttura a nido d'ape di 400 cpsi (Paul Rauschert GmbH & Co. KG , Germania) sono stati rivestiti con l'ossido misto CuO/CeO2. I monoliti erano lunghi 70 mm e avevano un diametro di 12 mm, per un volume di 7,9 cm3.

Tuttavia, per rivestire i monoliti ceramici con il catalizzatore non è stato utilizzato alcun rivestimento di lavaggio dell'ossido presintetizzato come era stato fatto in precedenza. Invece, la soluzione precursore per l'ossido misto CuO/CeO2 (rapporto molare Cu/(Cu + Ce) di 0,15) documentata da Avgouropoulos et al.9 è stata sintetizzata e i monoliti sono stati immersi una volta (monolito n. 1) o due volte (monolito n. 2) in questa soluzione viscosa. I monoliti rivestiti con la soluzione del precursore sono stati poi calcinati a 450°C, durante la quale il catalizzatore si è formato direttamente sulla superficie dei monoliti. Rispetto ai washcoat, l'utilizzo di una soluzione viscosa del precursore offre il vantaggio di una più intima adesione al supporto, mentre i metodi di preparazione classici, come la precipitazione, sono difficili da realizzare per ottenere rivestimenti catalitici omogenei. Inoltre è stata preparata nello stesso modo una polvere dalla soluzione precursore allo scopo di caratterizzare i materiali. Dopo il rivestimento singolo e la calcinazione, la quantità applicata di materiale catalizzatore era di 446 mg nel caso del monolite n. 1. Nel caso del monolite n. 2 è stato condotto un doppio rivestimento, ottenendo un rivestimento di catalizzatore di circa 768 mg.