Kredit:Katsutoshi Nagaoka
(Phys.org)—Väte har potential att tillhandahålla ett alternativ, ren energikälla, särskilt när det gäller bränslecellsteknik. Nuvarande bränslekällor involverar kolhaltiga fossila bränslen eller kolhaltiga organiska molekyler, vilket leder till produktion av överskott av CO 2 , en växthusgas. Flera initiativ, inklusive ett nationellt initiativ i Japan, sträva efter att skapa ett samhälle med låga koldioxidutsläpp genom att använda alternativa bränslekällor.
Initiativet Energy Carriers i Japan är ett nationellt projekt som specifikt tittar på sätt att effektivt lagra och transportera väte. Ett sätt att göra detta är att använda ammoniak som vätekälla. Dock, upptäckten av en effektiv process för att bryta ner ammoniak har visat sig vara svårt, till stor del eftersom den katalytiska processen för att bryta ner ammoniak kräver kontinuerlig tillsats av värme, vilket kan bli orimligt dyrt.
Katsutoshi Nagaoka, Takaaki Eboshi, Yuma Takeishi, Ryo Tasaki, Kyoto Honda, Kazuya Imamura, och Katsutoshi Sato från Oita University i Japan har utvecklat en metod som använder en ny katalysator för att producera väte från ammoniak utan tillsats av extern värme genom den katalytiska cykeln. Deras arbete visas i Vetenskapens framsteg .
Nedbrytningen av ammoniak till väte och kväve är en endoterm process, vilket innebär att det krävs tillsats av energi för att få produkter. Detta innebär att traditionella katalytiska nedbrytningsreaktioner kräver tillsats av en stor mängd värme för att erhålla en användbar mängd vätgas.
Nagaoka et al. utvecklat en katalysator som är gjord av en RuO 2 nanopartikel stödd på y-Al 2 O 3 katalysatorbädd. Efter att ha rensat deras katalysator från H 2 O och CO 2 , ammoniak och syre sattes till reaktionskärlet där ammoniak adsorberades på den katalytiska ytan, vilket resulterar i en ökning av temperaturen. Denna temperaturökning katalyserade den oxidativa nedbrytningen av ammoniak, en exoterm process. Detta värmde upp reaktionen, vilket i sin tur, gav energin för den endotermiska nedbrytningen av ammoniak till väte och kväve.
Katalysatorförbehandlingen krävde uppvärmning för att avlägsna vatten och koldioxid, men det krävde inte efterföljande återuppvärmning. Tester på katalysatorcykling visade att efter den första förbehandlingen av RuO 2 /y-Al 2 O 3 katalysator med helium vid 300 o C, Katalysatorn kunde cykla tre gånger och fortfarande producera väte med maximalt utbyte. Vidare, dessa studier inkluderade oxidativ passivering för att säkerställa att ingen värme producerades från oxidation av Ru till RuO 2 . I praktiken, oxidativ passivering kommer inte att vara nödvändig. Så, även om uppvärmning krävs för att förbehandla katalysatorn, uppvärmning krävs inte för ytterligare cykler av katalysatorn.
I ett försök att förstå hur RuO 2 /y-Al 2 O 3 katalysator fungerar, Nagaoka et al. jämförde den maximala katalytiska bäddtemperaturen som resulterar från självuppvärmning av RuO 2 /y-Al 2 O 3 till RuO 2 /La 2 O 3 , en känd ammoniaknedbrytningskatalysator. De fann att den aluminiumbaserade katalysatorn värmdes till en maximal temperatur på 97 o C, medan den lantanbaserade katalysatorn värmdes till en maximal temperatur på 53 o C. Detta är viktigt eftersom självantändningstemperaturen för oxidativ förbränning av ammoniak är 90 o C, och det förklarar varför bättre reaktionsutbyten sågs med RuO 2 /y-Al 2 O 3 .
Författarna påpekar att denna skillnad i adsorptionstemperatur sannolikt beror på den gynnsamma interaktionen mellan ammoniak, en grundläggande molekyl, och Al 2 O 3 , som är en Lewis-syra. La 2 O 3 , å andra sidan, är en Lewis-bas.
Dessutom, författarna tittade på skillnaden mellan att använda bar γ-Al 2 O 3 som en katalysator och RuO 2 /y-Al 2 O 3 . De fann att 90 % av ammoniaken adsorberas på bar γ-Al2O3 jämfört med katalysatorbädden och RuO 2 nanopartikel. Detta innebär att ammoniak kemisorberas på nanopartikeln och γ-Al 2 O 3 , vilket sedan främjar flerlagers fysisorption.
Övergripande, denna typ av katalysator är till hjälp för att tillhandahålla tillräckligt med värme för att övervinna de nödvändiga värmekraven för den endotermiska nedbrytningen av ammoniak till väte och kvävgas. Denna studie visar att självuppvärmande katalys är ett genomförbart alternativ för att utforska lösningar på de praktiska svårigheterna med att använda ammoniak som vätgaskälla.
© 2017 Phys.org
