Hydrogen production via ethanol steam reforming over alumina supported rhenium-nickel catalyst

Abstract

Renewable hydrogen was regarded as an ideal energy carrier for the future due to its high energy content, cleanliness, and abundance. Among the various renewable sources, ethanol is a promising candidate since it is simply produced by fermentation of biomasses and has reasonably high hydrogen content. Supported Ni catalysts widely used in ethanol steam reforming (ESR); however, it was seriously suffered by higher methane formation and rapid deactivation due to carbon deposition. In this study, small amount of rhenium (Re) was promoted on Ni/Al2O3 catalysts to perform the hydrogen production from ESR in the temperature range of 450-650 oC to evaluate the effects of Re addition on the catalyst activity and stability. The catalysts were prepared by wetness impregnation method and calcined at 600 oC in air for 6 h then characterized by various techniques such as N2 physisorption (BET method), XRD, SEM-EDX and, H2-TPR. The characterization showed that both Re and Ni particle were highly dispersed on the catalysts surface. The experimental results indicated that 3%Re-Ni/Al2O3 catalyst provides considerably higher reforming activity and excellent resistance towards carbon deposition in comparison with Ni/Al2O3­. Promoting a small proportion of Re (3 wt.%) on Ni/Al2O3 causes the significant influence by greatly reduced the CO formation from a high of up to 20% to less than 10% throughout the reaction time, and also indicated a rather stable catalytic performance for over 60 h time-on-stream without any deactivation.

ไฮโดรเจนหมุนเวียนถือเป็นแหล่งพลังงานในอุดมคติสำหรับอนาคตเนื่องจากมีปริมาณพลังงานต่อหน่วยสูง มีความสะอาด และยังเป็นธาตุที่มีอยู่มากที่สุดอีกด้วย ในบรรดาแหล่งผลิตพลังงานหมุนเวียนต่าง ๆ เอทานอลเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจเนื่องจากเอทานอลสามารถผลิตขึ้นได้อย่างง่ายโดยการหมักชีวมวลและยังมีปริมาณไฮโดรเจนค่อนข้างสูง ตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลบนตัวรองรับเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในปฏิกิริยาการปฏิรูปเอทานอลด้วยไอน้ำ อย่างไรก็ตามในส่วนของนิกเกิลเองนั้นมักจะพบปัญหาในการใช้งานอย่างมากจากการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วของตัวเร่งปฏิกิริยาอันเนื่องมาจากการเกิดโค้กบนพื้นผิว (coking) ทั้งยังมีการก่อตัวของก๊าซมีเทนในปริมาณที่สูง ในการศึกษานี้ได้ทำการเติมโลหะรีเนียม (Re) จำนวนเล็กน้อยลงบนตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลบนตัวรองรับอลูมิน่า (Ni/Al2O3) เพื่อดำเนินการผลิตไฮโดรเจนจากกระบวนการปฏิรูปเอทานอลด้วยไอน้ำในช่วงอุณหภูมิ 450-650 องศาเซลเซียส เพื่อประเมินผลของการเติมตัวสนับสนุนรีเนียมต่อความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาและความเสถียรภาพในระยะยาวของตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาถูกเตรียมโดยเทคนิคการเคลือบฝังแบบเปียกและนำไปเผาที่อุณหภูมิ 600 องศาเซลเซียสในอากาศเป็นเวลา 6 ชั่วโมง จากนั้นจึงนำไปตรวจสอบคุณลักษณะเฉพาะด้วยเทคนิคต่างๆ เช่น การวิเคราะห์คุณสมบัติการดูดซับทางกายภาพด้วยก๊าซไนโตรเจน (BET), เทคนิควิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ (XRD), กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดและวิเคราะห์องค์ประกอบของธาตุ (SEM-EDX) และการตรวจสอบพฤติกรรมการเกิดปฏิกิริยารีดักชันด้วยก๊าซไฮโตรเจน (H2-TPR) การตรวจสอบคุณลักษณะแสดงให้เห็นว่าทั้งอนุภาคของโลหะรีเนียมและนิกเกิลนั้นมีการกระจายตัวอย่างมากบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาโดยไม่พบการรวมเป็นกลุ่มก้อน จากผลการทดลองทำให้ทราบว่าตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลที่สนับสนุนด้วยรีเนียมจำนวน 3% บนตัวรองรับอลูมิน่า (3%Re-Ni/Al2O3) ทำให้ความว่องไวในการปฏิรูปสูงขึ้นมากและมีความต้านทานที่ดีเยี่ยมต่อการสะสมของคาร์บอนบนพื้นผิวเมื่อเปรียบเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลบนตัวรองรับอลูมิน่า การเติมรีเนียมในปริมาณเพียงเล็กน้อยบนตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลบนตัวรองรับอลูมิน่าทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญโดยสามารถลดการก่อตัวของก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ลงอย่างมากจากเดิมที่สูงกว่า 20% จนถึงระดับต่ำกว่า 10% ตลอดช่วงของการเกิดปฏิกิริยา ทั้งยังมีความเสถียรภาพและประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาที่สูงต่อเนื่องเป็นเวลานานกว่า 60 ชั่วโมงโดยพบสัญญาณในการเสื่อมสภาพตลอดระยะเวลาที่ทำการทดลอง