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En un artículo publicado en la revista Informes científicosSe sintetizaron varios catalizadores bimetálicos y trimetálicos a base de níquel en un reactor de lecho fijo y luego se evaluó su desempeño catalítico en metano y dióxido de carbono (CO2) Conversión de biogás para nanotubos de carbono y producción de hidrógeno.
Estudio: Desarrollo de catalizadores de alto rendimiento en base níquel para la producción de nanotubos de hidrógeno y carbono a partir de biogás. Crédito: Animaflora PicsStock/Shutterstock.com
La importancia de las energías renovables
emisiones de CO2 y otros gases de efecto invernadero causados por las actividades humanas son una de las principales causas del cambio climático y plantean uno de los problemas más apremiantes que enfrenta el mundo en la actualidad.
Las fuentes de energía renovables, que son el foco de la investigación moderna, ofrecen dos ventajas. Puede minimizar la contaminación y el cambio climático por la quema de combustibles fósiles mientras mejora los suministros de energía domésticos.
¿Cómo puede ayudar el biogás?
El biogás ofrece una forma particularmente atractiva de utilizar ciertos tipos de biomasa para satisfacer parte de las necesidades energéticas de entornos rurales e industriales, lo que lo distingue de otros tipos de fuentes de energía renovables.
El biogás es una combinación de dos componentes principalmente: metano y CO2. Se puede utilizar para generar electricidad, calor y combustible.
Un enfoque intrigante para el biogás es convertirlo instantáneamente en gas de síntesis, que está compuesto de hidrógeno y monóxido de carbono (CO). El gas de síntesis se puede producir utilizando varios métodos, incluido el reformado de metano por oxidación parcial o por vapor (POM o SRM).
Otro enfoque es el reformado de metano seco (DRM), que tiene importantes beneficios económicos y ambientales. DRM ha sido aclamado como una tecnología prometedora para producir gas de síntesis a partir de biogás.
DRM puede producir gas de síntesis con una relación hidrógeno/CO cercana a uno, que luego puede procesarse para desarrollar productos de alto valor y es fundamental para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. No obstante, la coquización es un obstáculo importante para DRM, ya que puede conducir a la desactivación del catalizador.
Las propiedades de los diferentes catalizadores.
Los catalizadores a base de Ni tienen un excelente rendimiento catalítico y son bastante económicos; por lo tanto, se han utilizado ampliamente para aplicaciones a gran escala. Las concentraciones más altas de níquel y las temperaturas de reacción más altas pueden aumentar en gran medida la conversión de metano.
También se ha encontrado que los catalizadores soportados en cobalto (Co) son bastante comparables a los catalizadores basados en Ni en términos de eficiencia catalítica.
Si bien los catalizadores a base de hierro (Fe) muestran una actividad catalítica reducida en comparación con los catalizadores a base de Co o Ni, han atraído más interés que los catalizadores con soporte de Co debido a su naturaleza económica y respetuosa con el medio ambiente.
¿Son mejores los catalizadores bimetálicos?
La eficacia de estos catalizadores metálicos sufre un rápido declive debido a la desactivación inducida por la deposición de carbono seguida de sinterización debido a la agregación de partículas a temperaturas de reacción elevadas. Este sigue siendo el mayor obstáculo para el método DRM.
Por lo tanto, la mayoría de los esfuerzos de investigación se han centrado en incorporar un metal adicional para fabricar catalizadores bimetálicos para aumentar la longevidad de los materiales catalíticos.
Se ha informado que los catalizadores bimetálicos muestran una mejor estabilidad y actividad en comparación con los catalizadores de un solo metal. La generación de aleaciones bimetálicas en las reacciones catalíticas podría explicar el mejor desempeño de los catalizadores bimetálicos.
La incorporación de molibdeno (Mo) en una cantidad adecuada en un catalizador basado en Co puede aumentar efectivamente el rendimiento y la especificidad de la fabricación de nanotubos de carbono (CNT) de alta calidad. Agregar una pequeña cantidad de Mo puede ayudar a mantener el catalizador activo durante períodos de tiempo más prolongados.
El papel de los portadores de catalizador
Los soportes de catalizador tienen un impacto significativo en el comportamiento catalítico en el proceso DRM. Son particularmente útiles debido a sus capacidades antisinterización, robustez mecánica y áreas específicas altas.
MgO y Al2O3 han atraído mucha atención como materiales de soporte de catalizadores debido a su disponibilidad, naturaleza económica y buena estabilidad térmica.
Conclusiones clave del estudio
En este trabajo, se utilizaron catalizadores bimetálicos (NiMo) a base de níquel y materiales catalíticos trimetálicos (CoNiMo, FeNiMo y CoFeMo) a base de níquel anclados en MgO para el crecimiento de CNT y la producción de biogás.
Los hallazgos experimentales revelaron que la adición de un tercer componente (cobalto o hierro) al catalizador NiMo/MgO a base de níquel no mejoró más el rendimiento del catalizador a base de níquel.
El catalizador de NiMo/MgO basado en Ni mostró la actividad máxima tanto para el craqueo como para el reformado de metano. Además, después de tres horas hubo una desactivación insignificante del catalizador a base de níquel.
La producción de hidrógeno se logró con un alto grado de pureza. Además, se encontró que la distribución más estrecha y los diámetros más pequeños de los nanotubos de carbono con un grado de grafitización son equivalentes a los de los nanotubos de carbono producidos comercialmente.
Por lo tanto, el catalizador de NiMo/MgO a base de níquel fue completamente suficiente para la conversión directa de biogás en gas de síntesis para la producción de hidrógeno y el crecimiento de CNT de paredes múltiples.
Relación
Saconsint S, Sae-tang N, Srifa A, Koo-Amornpattana W, Assabumrunrat S, Fukuhara C y Ratchahat S (2022). Desarrollo de catalizadores basados en níquel de alto rendimiento para la producción de nanotubos de hidrógeno y carbono a partir de biogás. Informes científicos, 12. Disponible en: https://www.nature.com/articles/s41598-022-19638-y
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