Wasserstofferzeugung durch Partielle Oxidation von Ethanol an Eisenoxid-Katalysatoren im Nanometerbereich, Erzeugt durch Chemische Gasphasensynthese

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Wael_Ahmed_Thesis.pdf02.02.2011 11:03:093,40 MB
Diese Arbeit präsentiert die experimentellen Ergebnisse der Synthese von nicht unterstützten und unterstützten SiC-Eisenoxid-Nanopartikeln und deren katalytische Aktivität gegenüber der partiellen Oxidation von Ethanol. Zum Vergleich wurde eine nicht unterstützte Eisenoxidphase in Richtung der partiellen Oxidation von Ethanol getestet. Die γ-Fe2O3 und α/γ-Fe2O3-Phasen-Katalysatoren wurden mit Hilfe des CVS-Verfahrens mit Fe(CO)5 als Vorstufe hergestellt und stammen von einem anderen Autor. Die α-Fe2O3 und SiC-Nanopartikel wurden nach dem CVS-Verfahren mit Hilfe eines Heißwandreaktors bei atmosphärischem Druck hergestellt. Ferrocene und Tetramethylsilan wurden als Vorstufe für die Herstellung verwendet. Prozessparameter der Vorläufer-Verdampfungstemperatur, Vorläufer-Konzentration, Gasgemisch-Geschwindigkeit und Gasgemisch-Verdünnung wurden analysiert und optimiert, um die kleinstmögliche Partikelgröße herstellen zu können. Für die Serienproduktion des Fe2O3/SiC-Katalysators wurde eine neue Heißwandreaktor-konstruktion für die Herstellung der Partikel verwendet. Die Partikel wurden durch gleichzeitige thermische Zersetzung von Ferrocene und Tetramethylsilan in einem Reaktor von beiden Seiten erzeugt. Produktionsparameter für den Abstand des Einlaufrohrs innerhalb des Reaktors, d.h. die Vorläufer-Verdampfungstemperatur und der Trägergasstrom, wurden untersucht, um eine Reihe von Proben mit verschiedenen Eisenoxidanteilen zu produzieren. Die Zusammensetzung, die physikalischen und chemischen Eigenschaften der präparierten Katalysatoren wurden durch XRD, EDX, REM, BET-Oberfläche, FTIR, XPS und dynamische Lichtstreuung (DLS) charakterisiert. Die katalytische Aktivität gegenüber der Gasphasenoxidation von Ethanol wurde in einem Temperaturbereich von 260 bis 290°C untersucht. Die Produkt-verteilung der einzelnen Katalysatoren wurde anhand der Massenspektrometrie analysiert. Die Aktivität von Fe2O3-Schüttgut und SiC-Nanopartikeln wurde mit präparierten Nano-Eisenoxidphasen-Katalysatoren verglichen. Die Reaktions-parameter, d.h. die Reaktionstemperatur und das O2/Ethanol-Verhältnis, wurden optimiert. Eine Stabilität der Katalysatoren wurde für eine Reaktionszeit von 10 Stunden gemeldet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Reaktionsstrecke, die Produkt-verteilung und die Wasserstoff-Selektivität stark von der Eisenoxid-Phase abhängen. Die α-Fe2O3-Phase zeigte eine hohe Wasserstoff-Selektivität mit der höchsten Stabilität. Bei den α-Fe2O3/SiC-Trägerkatalysatoren waren Acetaldehyd, Wasser und CO2 die Hauptprodukte. Die Produktverteilung war stark vom Eisengehalt des Katalysators abhängig. Mit steigendem Eisengehalt der Probe wurde mehr CO2 und Wasser hergestellt. Der Katalysator mit 1.9% Eisengehalt zeigte die höchste Acetaldehyd-Ausbeute. Das ist auf den geringen Eisenoxidgehalt an den aktive Stellen zurückzuführen, die zur Dehydrierung von Ethanol zu Acetaldehyd führen. Dagegen wurden bei höherem Eisengehalt mehr aktive Stellen gebildet und somit das Acetaldehyd readsorbiert und weiter zu CO2 oxidiert. Alle Trägerkatalysatoren zeigten eine gute Stabilität für 10 Stunden. In dieser Zeit verringerte sich der Ethanolumsatz auf 9% bei konstanter Acetaldehyd-Ausbeute. Diese Ergebnisse liefern Hinweise darauf, dass die Reaktion über die Eisenoxid-Oberfläche und Eisenoxid-Schnittstelle erfolgt und nicht über die SiC-Partikel. Diese Ergebnisse wurden durch die Ethanol-Oxidation in reinen α-Fe2O3 Nanopartikeln mit unterschiedlichen Flächen unterstützt. Diese Flächen wurden in Abhängigkeit von der gemessenen Fläche für reines α-Fe2O3 und der errechneten Fläche für Eisenoxid in den Trägerproben ausgewählt. Die Untersuchung ergab, dass bei einer großen Katalysator-Oberfläche Wasserstoff mit hoher Selektivität hergestellt werden kann, während bei kleiner Fläche nur Acetaldehyd, Wasser und CO2 produziert werden können. Die Charakterisierung der verwendeten Katalysatoren zeigte eine kleine Variation in der Eisenoxid-Partikelgröße und eine große Fläche. Dies bewies, dass der SiC-Träger eine Hot-Spot Bildung vermeidet und ein Sintern der Eisenoxid-Partikel verhindert.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Verbrennung und Gasdynamik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
Ethanol partial oxidation, Hydrogen production, Iron oxide catalyst, Nanoparticles, SiC, CVD
Beitragende:
Prof. Dr. Atakan, Burak [Betreuer(in), Doktorvater]
Jun.-Prof. Dr. Devi, Anjana [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Englisch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
13.01.2011
Dokument erstellt am:
02.02.2011
Promotionsantrag am:
27.09.2010
Dateien geändert am:
30.07.2013
Medientyp:
Text