بهبود پایداری، فعالیت و گزینش‌پذیری از طریق ایجاد گروه‌های عاملی در نانوکاتالیست کبالت بر پایه نانو لوله کربنی در فرآیند فیشر-تروپش

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشگاه صنعت نفت، پژوهشکده گاز

2 پژوهشگاه صنعت نفت، مرکز نانو

3 دانشگاه امیرکبیر، دانشکده مهندسی شیمی

چکیده

در این مقاله اثر ایجاد گروه‎های عاملی بر روی سطح پایه نانو لوله کربنی به عنوان پارامتر موثر در توزیع بهتر فاز فعال در کاتالیست‎های کبالت، مورد بررسی قرار گرفته است. کاتالیست‌های مورد نظر روی پایه نانو لوله کربنی معمولی و عامل‌دار شده با بارگذاری 10% وزنی کبالت ساخته شد. کاربرد این کاتالیست‌ها در سنتز فیشر- تروپش نشان داده که تزریق هم‌زمان هیدروژن و مونوکسیدکربن به نسبت 2 به 1 باعث بهبود فعالیت، گزینش‌پذیری و پایداری کاتالیست می‌شود. کاتالیست با روش‌های مختلف آنالیز شده که این روش‌ها شامل آنالیز XRDا، TEM، جذب شیمیایی هیدروژن، TPR، آزمایشات سنجش فعالیت، گزینش‌پذیری و پایداری کاتالیست می‌باشد. منحنی TPR نشان می‌دهد که کاتالیست کبالت روی نانو لوله کربنی عامل‌دار شده نسبت به کاتالیست کبالت روی نانو لوله کربنی معمولی، دارای ذرات کنترل شده‎تر فاز فعال بوده و این ذرات دماهای پیک احیاء را به سمت دماهای پایین‌تر انتقال می‎دهند که نشانه توزیع بهتر کبالت و احیاء‌پذیری بهتر ذرات فاز فعال در این نوع کاتالیست‌ها می‌باشد. همچنین این توزیع بهتر و یکنواخت فاز فعال، باعث بهتر شدن عملکرد این کاتالیست در فرآیند فیشر- تروپش می‌گردد. در یک مقایسه انجام شده، میزان تولید محصولات سنتز فیشر- تروپش از 35/0 به (Hyd./gcat./min .g) 43/0، میزان درصد تبدیل مونوکسید کربن از 8/52 به 5/62%، میزان گزینش‌پذیری C5+ از 85 به90% افزایش یافت و همچنین میزان گزینش‌پذیری CH4 از 11 به 5% کاهش یافته است: همچنین پایداری کاتالیست به میزان قابل ملاحظه‌ای در طول 120 ساعت واکنش نسبت به کاتالیست کبالت بر پایه نانو لوله کربنی معمولی افزایش یافته است.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Improving Fischer-Tropsch Synthesis Stability, Activity, and Selectivity Using Functionalized CNT-supported Cobalt Catalyst

نویسندگان [English]

  • ali Karimi 1
  • Ali Morad Rashidi 2
  • B. Nasernejad 3
1 Gas Research Division, Research Institute of Petroleum Industry (RIPI), Tehran, Iran
2 Nanotechnology Research Center, Research Institute of Petroleum Industry, Tehran, Iran
3 Chemical Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

The influence of functionalizing carbon nanotube (CNT) of CNT-supported nanocatalyst in Fischer-Tropsch synthesis (FTS) has been investigated. The catalysts were synthesized by the wet impregnation of 10 wt.% of cobalt loading over CNT and functionalized CNT. The catalysts were characterized by using BET, XRD, H2 chemisorption, TPR, and TEM. According to the TEM analysis, smaller cobalt particles (3-8 nm) synthesized on functionalized CNT had very narrow particle size distributions and were mostly confined inside the CNT. The deposition of cobalt nanoparticles synthesized on functionalized CNT shifted the reduction peaks to a lower temperature, indicating higher reducibility of uniform cobalt particles. Using the proposed functionalized CNT-supported cobalt catalyst increased the FTS rate (g HC/gcat./hr), Co conversion (%), and C5+ selectivity (%) from 0.35 to 0.43, 52.8 to 62, and 85 to 90 respectively; however, CH4 selectivity (%) decreased from 11 to 5 compared to that of the catalyst prepared on conventional CNT. This new catalyst preparation method may offer an attractive alternative approach to nanoparticle synthesis with uniform and various size distributions.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fischer-tropsch Synthesis
  • Carbon Nanotube
  • FTS activity and selectivity
  • Functionalization
  • Reducibilituy
[1]. Cho G. N., Kramer S. J., Tam S. T. and Fox J. M., Design/economics of a natural gas based Fischer-Tropsch plant, in Spring National Meeting, American Institute of Chemical Engineers, Houston, 1996.

[2]. Hammache S., Goodwin J. G. and, Oukaci R., “Passivation of a Co–Ru/γ -Al2O3 Fischer–Tropsch catalyst”, Catal. Today, 71, pp. 361-367, 2002.

[3]. Rohr F., Lindvag O. A., Holmen A. and Blekkan E.A., “Fischer–Tropsch synthesis over cobalt catalysts supported on zirconia-modified alumina”, Catal. Today, 58, pp. 247-254, 2000.

[4]. Ernest B., Bensaddik A., Hilaire L., chaumette P. and Kiennemann A., “Study on a cobalt silica catalyst during reduction and Fischer-Tropsch reaction: In situ EXAFS compared to XPS and XRD”, Catal. Today 39, pp. 329-341, 1998.

[5]. Tavasoli A., Rashidi A. M., Sadaghiani K., Karimi A., Khodadadi A. and Mortazavi Y., Carbon nano-tube supported cobalt catalyst for converting synthesis gas to hydrocarbons, European Patent, EP 1782885, 2007.

[6]. Bezemer G. L., Van Laak A., Van Dillen A. J. and De Jong K. P., “Cobalt supported on carbon nanofibers - A promising novel Fischer-Tropsch catalyst”,Stud. Surf. Sci. Catal., 147, pp. 259-264, 2004.

[7]. Y. Zhang, Y. Liu, G. Yang, Y. Endo and N. Tsubaki, “The solvent effects during preparation of Fischer–Tropsch synthesis catalysts: Improvement of reducibility, dispersion of supported cobalt and stability of catalyst”, Catal. Today, 142, pp. 85-89, 2009.

[8]. Rashidi A. M., Nouralishahi A., Khodadadi A. A., Mortazavi Y., Karimi A. and Kashefi K., “Modification of single wall carbon nanotubes (SWNT) for hydrogen storage”, Int. J. Hydrogen Energy, 35, pp. 9489-9495, 2010.

[9]. Rashidi A. M., Karimi A., Bozorgzadeh H. R., Kashefi K. and Zare M., “Syntheis of SWNTs over Co-Mo/MgO Nanoporous and using  as a catalyst support for  selective hydrogenation of syngas to hydrocarbon”, J. Nat. Gas Chem., 19, pp. 548-551, 2010.

[10]. Naeimi H., Mohajeri A., Moradi L. and Rashidi A.M., “Efficient and facile one pot carboxylation of multiwalled carbon nanotubes by using oxidation with ozone under mild conditions”, Appl. Surf.  Sci. 256, pp. 631-635, 2009.

[11]. Karimi A., Nakhaei Pour A., Torabi F., Hatami B., Alaei M. and Irani M., “Fischer-Tropsch synthesis over ruthenium promoted Co/Al2O3 catalyst with different reduction procedure”, J. Nat. Gas Chem. 19, pp. 503-508, 2010.

[12]. Tre´panier M., Dalai A. K., Abatzoglou N., “Synthesis of CNT-supported cobalt nanoparticle catalysts using a microemulsion technique: Role of nanoparticle size on reducibility”, activity and selectivity in Fischer–Tropsch reactions", Appl. Catal. A: General 374, pp. 79-86, 2010.

[13]. Karimi A, Nasernejad B, Rashidi A. M., “Particle size control effect on activity and selectivity of cobalt supported functionalized CNT in Fischer – Tropsch Synthesis”, Korean J Chem. Eng, 29, pp. 1516-1524, 2012.

[14]. Tavasoli A., Sadaghiani K., Nakhaeipour A. and Ghalbi Ahangari M., Cobalt Loading Effects on the Structure and Activity for Fischer-Tropsch and Water–gas Shift Reactions of Co/Al2O3 Catalysts, I. J. Chem. Chem. Eng., 26, 1, 2007.

[15]. Tavasoli A., Malek Abbaslou R. M., Tre´panier M. and Dalai A. K., “Fischer-Tropsch synthesis over cobalt catalyst supported on carbon nanotubes in a slurry reactor”, Appl. Catal. A, 345, pp. 134-142, 2008.

[16]. R. J. A. M. TerÖrde, Ph.D. Thesis, Utrecht University, Utrecht, the Netherlands, (1996).

[17]. Chen W., Fan Z., Pan X. and Bao X., “Effect of confinement in carbon nanotubes on the activity of Fischer-Tropsch iron catalyst”, J. Am. Chem. Soc., 130, pp. 9414-9419, 2008.

[18]. Malek Abbaslou R. M., Tavasoli A. and Dalai A. K., “Effect of pre-treatment on physico-chemical properties and stability of carbonnanotubes supported iron Fischer–Tropsch catalysts”, Appl. Catal. A: General, 355, pp. 33-41, 2009.

[19]. Martínez A., López C., Márquez F. and Díaz I., “Fischer-Tropsch synthesis of hydrocarbons over mesoporous Co/SBA-15 catalysts: The influence of metal loading, cobalt precursor, and promoters” J. Catal., 220, pp. 486-499, 2003.

[20]. Bezemer G. L., Bitter J. H., Kuipers H. P. C. E., Oosterbeek H., Holewijin J. E., Xu X., Kapteijn F., Van Dillen A. J. and De Jong K. P., “Cobalt particle size effects in the Fischer-Tropsch reaction studied with carbon nanofiber supported catalysts”, J. Am. Chem. Soc., 128, pp. 3956-3964, 2006.

[21]. Bezemer G. L., Radstake P. B., Koot V., Van Dillen A. J., Geus J. W. and De Jong K. P., “Preparation of Fischer- Tropsch cobalt catalysts supported on carbon nanofibers and silica using homogeneous deposition-precipitation”, J. Catal., pp. 237, 291, 2006.

[22]. Ho S. W. and Su Y. S., “Effects of Ethanol Impregnation on the catalytic Properties of Silica-Supported Cobalt Catalysts”, J. Catal., 168, pp. 51-59, 1997.

[23]. Tavasoli A., Mortazavi Y., Khodadadi A., Sadagiani K. and Karimi A., “Effects of different loadings of Ru and Re on physico-chemical properties and performance of 15% Co/Al2O3 FTS catalysts”, I. J. Chem. Chem. Eng., 35, pp. 9-15, 2005.

[24]. Das T. K., Jacobs G., Patterson P. M., Conner W. A., Li J. and Davis B. H., “Fischer-Tropsch synthesis: characterization and catalytic properties of rhenium promoted cobalt alumina catalysts”, Fuel, 82, pp. 805-815, 2003.