افزایش فعالیت، گزینش پذیری و پایداری نانو کاتالیست کبالت بر پایه نانولوله-کربنی در سنتز فیشر-تروپش با استفاده از عامل دار کردن پایه با ازن و هیدروژن -پراکسید

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجو/امیرکبیر

2 پژوهشگاه صنعت نفت

3 دانشجو/دانشگاه تهران

چکیده

در این پژوهش اثر عامل‌دارکردن پایه نانو لوله کربنی بر روی اندازه ذرات فلز فعال، پراکندگی، فعالیت و گزینش‌پذیری محصولات کاتالیزور Co/CNTs در سنتز فیشر- تروپش مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از ازن در حضور معرف اکسید کننده (H2O2)  نانولوله‌های کربنی عامل‌دار شدند. کبالت 15% وزنی به روش تلقیح بر روی نانولوله‌های کربنی عامل‌دار شده و نانولوله‌‌های معمولی نشانده شد. نمونه‌های کاتالیزور به روش‌های مختلف، ویژگی سنجی شده و در میکرو راکتور بستر ثابت تست گردید. فعالیت کاتالیزور معمولا وابسته به سایز ذرات فلز فعال است. به‌طوری که کاتالیزور با ذرات ریزتر فعالیت بالاتری دارد که به‌دلیل آن افزایش تعداد اتم‌های ذرات فاز فعال و قابل دسترس برای واکنش‌گرها بر روی سطح است. در تحقیق حاضر عامل‌دار کردن پایه اندازه ذرات کاتالیزور را به nm 8/8 کاهش و درصد تبدیل منوکسید کربن را نسبت به پایه معمولی 16% افزایش داد. به‌علاوه فعالیت کاتالیزور در طول سنتز پیوسته به مدت 20 روز به میزان 46% کاهش یافت. در نهایت درصد تولید محصولات سنتز به مقدار اندکی به سمت هیدروکربن‌های سبک سوق داده شد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Enhancement of CNTs Supported Cobalt Nanocatalyst Activity, Selectivity and Stability in Fischer-Tropsch Synthesis by Functionalization of Support with Ozone and Hydrogen Peroxide

چکیده [English]

Functionalization of carbon nanotubes (CNTs) was applied, during preparation of Fischer–Tropsch synthesis (FTS) cobalt nanocatalysts, to modify the surface properties of CNTs supports. Carbon nanotubes functionalization effects on the particle size, dispersion, activity and selectivity of Co/CNTs nanocatalyst in FTS werw investigated. CNTs were functionalized with ozone and hydrogen peroxide. 15 wt.% Cobalt was impregnated on the functionalized and un-functionalized supports. Catalyst samples were characterized by different methods and assessed in a fixed bed micro reactor. Optimal catalyst activity is usually dependent on the size of the active metal phase, so the catalyst metal particles on the support with finer particles showed higher activity due to higher distribution, than the catalyst with larger size and poor dispersion. This phenomenon is the consequence of the existence of more metal particles which are more accessible to the reactants. In this work, the presence of functional groups decreased the active metal particle size to 8.8 nm. Furthermore, functionalization increased the percentage conversion of carbon monoxide by a factor of 1.16%. In addition, rate of catalyst deactivation decreased by 46% during 20 days continues synthesis. Finally, synthesis products showed a slight shift to lighter hydrocarbons.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fischer-tropsch Synthesis
  • Functionalized Carbon Nanotubes
  • Particle Size
  • Activity
  • Selectivity

[1]. Tavasoli A., Sadagiani K., Khorashe F., Seifkordi A. A., and Rohani A. A., “Cobalt supported on carbon nanotubes-a promising novel Fischer–Tropsch synthesis catalyst, Fuel Processing Technology, Vol. 89, pp. 491-498, 2008.##

[2]. Bessell S., “Support effects in cobalt-based fischer-tropsch catalysis,” Appl. Catal. A., Vol. 96, No. 2, pp. 253-268, 1993.##

[3]. Zhang J., Chen J., Ren J., Li Y., and Sun Y., “Support effect of Co/Al2O3 catalysts for Fischer-Tropsch synthesis,” Fuel, Vol. 82, pp. 581-586, 2003.##

[4]. Mabena L. F.,  Mhlanga S. D., Ray S. S., and CovillN J. E., “Nitrogen-doped carbon nanotubes as a metal catalyst support,” Appl. Nanosci., Vol. 1, pp. 67–77, 2011.##

[5]. 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., Vol. 147, pp. 259-264, 2004.##

[6]. Xiong H., Motchelaho M. A. M., Moyo M., Jewell L. L., and Coville N. J., “Correlating the preparation and performance of cobalt catalysts supported on carbon nanotubes and carbon spheres in the Fischer-Tropsch synthesis,” J. Catal., Vol. 278, pp. 26–40, 2011. ##

[7]. Zhang Y., Liu Y., Yang G., Endo Y., and Tsubaki N., “The solvent effects during preparation of fischer-tropsch synthesis catalysts: improvement of reducibility, dispersion of supported Cobalt and stability of catalyst,” Catal. Today, Vol. 142, pp. 85-89, 2009.##

[8]. Bell A. T., “The Impact of nanoscience on heterogeneous catalysis,” Science, Vol. 299, pp. 1688-1691, 2003.##

[9]. 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., Vol. 256, pp. 631–635, 2009.##

[10]. Rosca I. D., Watari F., Uo M., and Akasaka T., “Oxidation of multiwalled carbon nanotubes by nitric acid,” Carbon, Vol. 43, pp. 3124-3131, 2005.##

[11]. Chen C., Liang B., Ogino A., Wangke X., and Nagatsu M., “Oxygen functionalization of multiwall carbon nanotubes by microwave excited surface-wave plasma treatment,” J. Phys. Chem. C, Vol. 113, pp. 7659-7665, 2009.##

[12]. Ago H., Kugler T., Cacialli F., Salaneck W. R., Shaffer M. S. P., Windle A. H., and Friend R. H., “Work functions and surface functional groups of multiwall carbon nanotubes,” J. Phys. Chem. B, Vol. 103, pp. 8116 -8121, 1999.##

[13]. Mawhinney D. B., Naumenko V., Kuznetsova A., Yates J. T., Liu J., and Smalley R. E., “Infrared spectral evidence for the etching of carbon nanotubes: ozone oxidation at 298 K,” J. Am. Chem. Soc., Vol. 122, pp. 2383-2384, 2000.##

[14]. Simmons J. M., Nichols B. M., Baker S. E., Marcus M. S., Castellini O. M., and Lee C. S., “Effect of ozone oxidation on single-walled carbon nanotubes,” J. Phys. Chem. B., Vol. 110, No. 14, pp. 7113-7118, 2006.##

[15]. Najafi E., Kim J. Y., Han S. H., and Shin K., “Physicochemical and engineering aspects,” Colloids and Surfaces A, Vol. 284, pp. 373-378, 2006##

[16]. Saib A. M., Borgna A., Van de Loosdrecht A. J., van Berge P. J., Geus J. W., and Niemantsverdriet J. W., “Preparation and characterisation of spherical Co/SiO2 model catalysts with well-defined nano-sized cobalt crystallites and a comparison of their stability against oxidation with water,” J. Catalysis, Vol. 239, No. 2, pp. 326-339, 2006.##

[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., Vol. 130, pp. 9414–9419, 2008.##

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

[19]. Trepanier M. and Dalai A.K., “Synthesis of CNT-supported cobalt nanoparticle catalysts using a microemulsion technique: Role of nanoparticle size on reducibility, activity, and selectivity in Fischer-Trophsch reactions,” Appl. Catal. A: General, Vol. 374, pp. 79-86, 2010.##