Luận án Nghiên cứu tổng hợp xúc tác trên cơ sở Ni-Ga, ứng dụng để chuyển hóa CO2 thành metanol nhiên liệu

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP XÚC TÁC TRÊN CƠ SỞ Ni-Ga, ỨNG DỤNG ĐỂ CHUYỂN HÓA CO2 THÀNH METANOL NHIÊN LIỆU

Ngành:

Kỹ thuật hóa học

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung vào nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng các hệ xúc tác trên cơ sở hợp kim Ni-Ga để chuyển hóa CO2 thành metanol nhiên liệu. Trong bối cảnh hiện nay, phương pháp chuyển hóa CO2 thành metanol có tiềm năng phát triển mạnh mẽ do CO2 là nguồn khí dồi dào. Tuy nhiên, các quá trình công nghiệp hiện tại thường yêu cầu áp suất, nhiệt độ cao, độ chuyển hóa CO2 thấp và tạo ra nhiều sản phẩm phụ. Xúc tác trên cơ sở hợp kim Ni-Ga, đặc biệt là tâm Ni5Ga3, được kỳ vọng giải quyết những vấn đề này, mặc dù các đặc trưng và yếu tố ảnh hưởng đến độ phân tán, độ ổn định của tâm hoạt tính vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ.

Mục tiêu của luận án là chế tạo và đặc trưng ba loại xúc tác Ni-Ga khác nhau: hợp kim, Ni-Ga/oxit và Ni-Ga/mesosilica, sau đó ứng dụng chúng vào quá trình chuyển hóa CO2 thành metanol. Các phương pháp phân tích hóa lý chuyên sâu như Nhiễu xạ tia X (XRD), Hiển vi điện tử quét (SEM), Hiển vi điện tử truyền qua (TEM), Hấp phụ - giải hấp nitơ (BET), Phân tích nhiệt – Nhiệt lượng quét vi sai – Khối phổ (TG-DSC-MS), Khử với H2 theo chương trình nhiệt độ (TPR-H2), Phổ hồng ngoại (FT-IR), Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) và Phổ quang điện tử tia X (XPS) đã được sử dụng để đánh giá.

Các đóng góp mới của luận án bao gồm việc chế tạo và đặc trưng ba xúc tác Ni-Ga mới, mỗi loại là một cải tiến về độ tinh khiết, độ phân tán pha hoạt tính và độ xốp tổng thể. Xúc tác NiGa/mesosilica với hệ thống MQTB trật tự tỏ ra ưu việt nhất trong ứng dụng chuyển hóa CO2 thành metanol ở điều kiện áp suất trung bình. Luận án cũng ứng dụng thành công phương pháp TG-DSC-MS để phân tích biến đổi cấu trúc và tính chất xúc tác theo nhiệt độ nung, chứng minh sự liên kết giữa các cation kim loại của Ni và Ga với chất mang mesosilica. Phổ XPS đã đặc trưng môi trường liên kết, xác nhận sự tồn tại của hợp kim Ni5Ga3 và vai trò của obital Ga3d trong việc nâng cao hoạt tính và độ ổn định.

Về ý nghĩa khoa học, đây là nghiên cứu mới mẻ trên thế giới về tổng hợp và đánh giá hoạt tính xúc tác NiGa cho quá trình chuyển hóa CO2 thành metanol, đồng thời chứng minh pha hoạt tính chính là Ni5Ga3. Về ý nghĩa thực tiễn, việc này góp phần giảm khí nhà kính, tận dụng CO2 công nghiệp và mỏ khí để sản xuất metanol, một hóa chất và nhiên liệu quan trọng. Xúc tác NiGa của luận án đạt hiệu suất tạo metanol cao, vượt trội so với các xúc tác truyền thống.

Kết quả khảo sát cho thấy, ở áp suất thường, quá trình tổng hợp metanol từ CO2 và H2 chỉ tạo ra sản phẩm trung gian mà không có metanol. Tuy nhiên, ở áp suất trung bình (25 bar), xúc tác NiGa/mesosilica cho kết quả tốt nhất. Các điều kiện tối ưu được xác định là áp suất 35 bar, nhiệt độ 270°C, thời gian hoạt tính ổn định 45 giờ và tỷ lệ H2/CO2 = 3/1, đạt độ chuyển hóa CO2 46,9%, độ chọn lọc metanol 62,7% và hiệu suất thu metanol 29,4%. Hiệu suất này cao hơn và đạt được ở áp suất thấp hơn nhiều khi so sánh với phản ứng tạo metanol từ CO2 trên hầu hết các xúc tác truyền thống.

Mục lục chi tiết:

• Luận án gồm 107 trang (không kể phần phụ lục, mục lục, danh mục bảng biểu, hình vẽ và tài liệu tham khảo) được chia thành các chương như sau:
  • Chương I: Tổng quan lý thuyết: 32 trang.
  • Chương II: Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu: 13 trang.
  • Chương III: Kết quả và thảo luận: 62 trang.
• Kết luận và Những điểm mới của luận án: 2 trang
• Danh mục các công trình công bố: 1 trang
• Tài liệu tham khảo: 8 trang
• Phụ lục: 22 trang
• Có 66 hình ảnh và đồ thị, 14 bảng và 112 tài liệu tham khảo.
• B. NỘI DUNG LUẬN ÁN
  • Chương I. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
    • 1.1. Metanol và tầm quan trọng của nó trong nền kinh tế hiện đại
    • 1.2. Các phương pháp tổng hợp metanol
    • 1.3. Quá trình chuyển hóa trực tiếp CO2 thành metanol
    • 1.4. Xúc tác đa kim loại trong quá trình chuyển hóa CO2 thành metanol
    • 1.5. Giới thiệu xúc tác trên cơ sở Ni-Ga trong quá trình chuyển hóa CO2 thành metanol
  • ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
    • Chế tạo, đặc trưng các xúc tác trên cơ sở Ni-Ga khác nhau, bao gồm Ni-Ga dạng hợp kim, Ni-Ga/oxit và Ni-Ga/mesosilica.
    • Đặc trưng trạng thái hóa học của các nguyên tố, nghiên cứu bản chất của pha hoạt tính trong xúc tác, sự tương tác giữa kim loại và chất mang bằng phổ XPS và TG-DSC-MS.
    • Ứng dụng các hệ xúc tác chế tạo được vào quá trình chuyển hóa trực tiếp CO2 thành metanol trong các điều kiện áp suất khác nhau; điều khiển các điều kiện phản ứng để hướng quá trình về gần với áp suất khí quyển.
  • Chương II. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
    • 2.1. HÓA CHẤT
    • 2.2. CHẾ TẠO XÚC TÁC Ni-Ga DẠNG HỢP KIM
    • 2.3. CHẾ TẠO XÚC TÁC Ni-Ga/OXIT
    • 2.4. CHẾ TẠO XÚC TÁC Ni-Ga/mesosilica
    • 2.5. CHUYỂN HÓA CO2 THÀNH METANOL TRÊN CÁC XÚC TÁC ĐÃ TỔNG HỢP
      • 2.5.1. Mô tả quy trình
      • 2.5.2. Đánh giá hiệu quả quá trình
    • 2.6. NGHIÊN CỨU TÁI SINH XÚC TÁC
    • 2.7. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA XÚC TÁC
  • Chương III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
    • Phần 1: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP XÚC TÁC TRÊN CƠ SỞ NiGa
      • 3.1. TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG XÚC TÁC NiGa DẠNG HỢP KIM
        • 3.1.1. Giản đồ XRD
        • 3.1.2. Phổ EDX
        • 3.1.3. Ảnh SEM và TEM
        • 3.1.4. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N2
      • 3.2. TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG XÚC TÁC DẠNG NiGa/OXIT
        • 3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Ni/Ga đến cấu trúc xúc tác NiGa/oxit
        • 3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ đến cấu trúc xúc tác NiGa/oxit
        • 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian ngưng tụ đến cấu trúc xúc tác NiGa/oxit
        • 3.2.4. Ảnh hưởng của phương pháp điều chế xúc tác NiGa/oxit
        • 3.2.5. Độ ổn định nhiệt của các xúc tác NiGa/oxit
        • 3.2.6. Kết quả TPR-H2 của xúc tác NiGa/oxit phương pháp đồng ngưng tụ bay hơi
        • 3.2.7. Kết quả hấp phụ - giải hấp N2 đẳng nhiệt của xúc tác NiGa/oxit phương pháp đồng ngưng tụ bay hơi
        • 3.2.8. Ảnh SEM và TEM của xúc tác NiGa/oxit phương pháp đồng ngưng tụ bay hơi
        • 3.2.9. Kết quả đo phổ EDX của xúc tác NiGa/oxit phương pháp đồng ngưng tụ bay hơi
        • 3.2.10. Kết quả phổ XPS của xúc tác NiGa/oxit phương pháp đồng ngưng tụ bay hơi
      • 3.3. TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG XÚC TÁC DẠNG NiGa/MESOSILICA
        • 3.3.1. Tổng hợp chất mang mesosilica
        • 3.3.2. Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc xúc tác NiGa/mesosilica
        • 3.3.3. Hình thái học của các xúc tác NiGa/mesosilica
        • 3.3.4. Độ ổn định nhiệt của các xúc tác NiGa/mesosilica
        • 3.3.5. Bề mặt riêng của xúc tác NiGa/mesosilica
        • 3.3.6. Phổ XPS của xúc tác NiGa/mesosilica
    • Phần 2: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XÚC TÁC NiGa TRONG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA CO2 THÀNH METANOL
      • 3.4. NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA CO2 THÀNH METNOL TRÊN CÁC HỆ XÚC TÁC KHÁC NHAU Ở ÁP SUẤT THƯỜNG
      • 3.5. NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA CO2 THÀNH METANOL Ở ÁP SUẤT CAO
        • 3.5.1. Khảo sát tìm xúc tác thích hợp nhất cho quá trình chuyển hóa
        • 3.5.2. Nghiên cứu tìm các điều kiện thích hợp để chuyển hóa CO2 thành metanol trên xúc tác NiGa/mesosilica ở áp suất cao
          • 3.5.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ
          • 3.5.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của áp suất
          • 3.5.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ H2/CO2
          • 3.5.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian