Sviluppo di Ni

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12928 (2023) Citare questo articolo

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Il biogas è stato ampiamente considerato come una promettente fonte di energia rinnovabile. Recentemente, la conversione diretta del biogas su catalizzatori eterogenei per la produzione simultanea di gas di sintesi e nanotubi di carbonio mostra un elevato potenziale per il pieno utilizzo del biogas con grandi benefici. Coinvolgendo il reforming a secco combinato del metano e la decomposizione catalitica del metano, l'efficienza del processo dipende fortemente dall'attività/stabilità del catalizzatore, causata principalmente dalla deposizione di carbonio. In questo studio, il catalizzatore Ni-Mo è progettato per fornire prestazioni per tutta la vita ed eseguire un'elevata attività nel processo combinato. Per la prima volta viene proposta la modifica superficiale dei catalizzatori mediante un pretrattamento di carburazione controllata per produrre un catalizzatore di carburo insieme al miglioramento della stabilità del catalizzatore e della reattività per la conversione diretta del biogas. Le prestazioni dei catalizzatori al carburo così preparati vengono studiate rispetto a quelli ossidi e metallici. Di conseguenza, il catalizzatore Ni-Mo2C ha mostrato attività e stabilità superiori rispetto ai suoi omologhi, anche se il nanocarbonio condensato era in gran parte cresciuto e coperto sulla superficie. Inoltre, fino all'82% della conversione di CH4 e il 93% della conversione di CO2 potrebbero rimanere quasi costanti a 800 °C per tutto il periodo di prova di 3 ore sotto un flusso di ingresso ad alta portata di biogas puro a 48.000 cm3 g−1 h−1 . Gli spettri XPS dei catalizzatori hanno confermato che la presenza di specie Mo2C sulla superficie del catalizzatore potrebbe promuovere la stabilità e la reattività del catalizzatore, con conseguente maggiore produttività dei nanotubi di carbonio per un tempo più lungo.

Il drastico aumento della popolazione mondiale e la radicale trasformazione industriale sono considerati la ragione principale della crescita esponenziale della domanda totale di energia. In effetti, una parte enorme delle forniture energetiche globali è dominata dalla combustione di combustibili fossili, che si prevede sarà una delle fonti cruciali di emissioni di CO2 e porterà a problemi ambientali. Nel frattempo, l’idrogeno sta ottenendo ulteriore riconoscimento in tutto il mondo come vettore energetico e come potenziale combustibile che promette di ridurre il consumo di questi combustibili fossili convenzionali. Inoltre, offre soluzioni non inquinanti per lo sviluppo sostenibile della tecnologia delle celle a combustibile1,2,3. Allo stato attuale, sono stati proposti numerosi percorsi praticabili per la produzione di idrogeno, come il reforming con vapore, l’ossidazione parziale, la gassificazione del carbone, la pirolisi degli idrocarburi e così via4,5,6,7. Oltre alle tradizionali produzioni di energia rinnovabile, il dry reforming del metano (DRM) nell’Eq. (1) è sempre più studiato e rappresenta la modalità più interessante per l'utilizzo del biogas e la produzione di miscele di gas di sintesi (H2 + CO). Questo perché può fornire gas di sintesi con rapporto H2/CO prossimo a 1,0, in particolare grazie all'abbattimento di due dei principali gas serra8,9.

È stato scoperto che i metalli attivi di gruppi come Ru, Rh, Ir, Pd e Pt presentano una reattività superiore e prestazioni stabili con elevata resistenza alla formazione di coke in DRM. Da un lato, il costo antieconomico di questi catalizzatori di metalli preziosi e la loro disponibilità limitata li rendono inadatti per applicazioni di upscaling commerciale10. I catalizzatori supportati a base di Ni, d'altro canto, sono preferibilmente suggeriti per il loro prezzo accessibile e l'attività paragonabile a quella dei metalli nobili11,12,13,14. Tuttavia, la disattivazione della fase attiva interessata dall'avvelenamento da carbonio che avviene principalmente nel processo di reforming è il principale svantaggio intenso di tali catalizzatori di reforming15. A questo proposito, la maggior parte degli studi sono stati condotti concentrandosi su come prevenire questi depositi carboniosi indesiderati sulla superficie del catalizzatore16,17,18,19. Nel nostro lavoro precedente20, abbiamo proposto con successo un approccio efficace per superare questa grave preoccupazione trasformando il carbonio depositato in preziosi nanomateriali come i nanotubi di carbonio (CNT), che possono essere promossi contemporaneamente insieme alla reazione di decomposizione catalitica del metano (CDM), come mostrato nell'eq. (2). I risultati hanno dimostrato che l’uso di catalizzatori bimetallici Ni–Mo/MgO ha mostrato prestazioni cataliticamente eccezionali a 800 °C nella conversione del biogas in gas di sintesi ricco di H2 e nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) attraverso processi integrativi tra il reforming a secco del metano e decomposizione catalitica del metano. Anche così, dal punto di vista pratico a lungo termine, sembrava divenire evidente un forte calo dei tassi di reazione di CH4 e CO2. Questo comportamento di degradazione può essere spiegato dalla disattivazione del catalizzatore durante l'esecuzione di una corsa di 20 ore. Pertanto, vi è il desiderio di sviluppare ulteriormente un catalizzatore che sia a basso costo, ben qualificato e in grado di resistere per una durata prolungata.