Synthesis and characterization of a trimetallic Ni-Cu Pt/Al2O3 catalytic monolith for hydrogen generation through autothermal ethanol reforming

Abstract

O clima da Terra passou por mudanças substanciais devido a séculos de emissões excessivas de Gases de Efeito Estufa (GHG). O setor de transporte, um grande contribuinte para essas emissões, depende fortemente de veículos com motores de combustão interna. Uma abordagem para mitigar as emissões de GHG é a transição para motores elétricos alimentados por H2 derivado da reforma de etanol, ambos considerados fontes de energia renovável e ecologicamente corretas. Aprimorar a eficiência do processo requer um catalisador com altas taxas de conversão e seletividade para a transformação do etanol em H2. Este estudo teve como objetivo a fabricação de monólitos catalíticos de Ni/Al2O3 e Ni-Cu-Pt/Al2O3 para Reforma Autotérmica (ATR) de etanol. Os métodos de caracterização incluíram Difração de Raios-X (XRD), Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM), Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS), Espectroscopia de Fotoelétrons Excitados por Raios-X (XPS) e Redução à Temperatura Programada (TPR). O comportamento catalítico na ATR (400-700 °C) foi avaliado. Os monólitos apresentaram teor médio de revestimento (C(%)) de 19,0%, teor de níquel na impregnação (MNi(%)) de 9,62%, e teor de cobre na impregnação (MCu(%)) de 0,52%. A ausência ou ganho limitado de massa no teor de platina na impregnação (MPt(%)) foi justificada devido à natureza corrosiva do ácido nítrico. XRD indicou alumina e níquel na amostra de níquel, enquanto os picos de cobre e platina no catalisador trimetálico eram relativamente pequenos. As imagens de SEM mostraram processos bem-sucedidos de revestimento e impregnação sem bloqueio de poros. Inesperadamente, uma estrutura tipo-flor na amostra trimetálica levou a investigações adicionais. EDS confirmou a presença de alumina, níquel e cobre, com platina não detectada. XPS confirmou cobre e platina no monólito trimetálico. Análises de TPR destacaram a homogeneidade, com redução de óxidos metálicos em diferentes faixas de temperatura, indicando picos distintos de níquel, cobre e platina. Resultados de conversão e seletividade mostraram maior conversão de etanol e produção de H2 para o catalisador de níquel em temperaturas mais altas. O catalisador trimetálico reduziu efetivamente a temperatura necessária para iniciar a ATR. Em conclusão, esta pesquisa contribui significativamente na utilização de catalisadores mono e trimetálicos para ATR, estabelecendo uma base para estudos e aplicações futuras. Descobertas únicas abrem caminhos para exploração, avanços em sustentabilidade, otimização de design e processos eficientes de ATR de etanol.

Abstract: The Earth?s climate underwent substantial changes due to centuries of excessive Greenhouse Gas (GHG) emissions. The transport sector, a major contributor to these emissions, heavily relies on internal combustion engine vehicles. One approach to mitigate GHG emissions is transitioning to electric engines powered by H2 derived from ethanol reforming, both considered renewable and environmentally friendly. Enhancing the process efficiency requires a catalyst with high conversion rates and selectivity for ethanol to H2. This study aimed at manufacturing Ni/Al2O3 and Ni-Cu-Pt/Al2O3 catalytic monoliths for Autothermal Reforming (ATR) of ethanol. Characterization methods included X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Temperature Programmed Reduction (TPR). Catalytic behavior in ATR (400-700 °C) was assessed. Monoliths had average washcoat content (C(%)) of 19.0%, nickel impregnation mass content (MNi(%)) of 9.62%, and copper impregnation mass content (MCu(%)) of 0.52%. Limited or no mass gain in platinum impregnation mass content (MPt(%)) was justified due to the corrosive nature of nitric acid. XRD indicated alumina and nickel in the nickel sample, while copper and platinum peaks in the trimetallic catalyst were relatively small. SEM images showed successful washcoat and impregnation processes without pore blocking. Unexpectedly, a flower-like structure in the trimetallic sample prompted further investigation. EDS confirmed alumina, nickel, and copper, with no platinum detected. XPS confirmed copper and platinum in the trimetallic monolith. TPR analyses highlighted homogeneity, with metal oxide reduction at different temperature ranges indicating distinctive peaks of nickel, copper, and platinum. Conversion and selectivity results showed higher ethanol conversion and H2 production for the nickel catalyst at higher temperatures. The trimetallic catalyst effectively reduced the required temperature for initiating the ATR. In conclusion, this research contributes significantly in the use of mono and trimetallic catalysts for ATR, providing a foundation for future studies and applications. Unique findings open avenues for exploration, sustainability advancements, design optimization, and efficient ATR of ethanol processes.