(Phys.org) — Waterstof heeft het potentieel om een ​​alternatief te bieden, schone energiebron, in het bijzonder zoals toegepast op brandstofceltechnologie. De huidige brandstofbronnen zijn koolstofhoudende fossiele brandstoffen of koolstofhoudende organische moleculen, die resulteren in de productie van overtollige CO ₂ , een broeikasgas. Verschillende initiatieven, waaronder een nationaal initiatief in Japan, streven naar een koolstofarme gebruiksmaatschappij door gebruik te maken van alternatieve brandstofbronnen.

Het initiatief Energy Carriers in Japan is een nationaal project dat specifiek zoekt naar manieren om waterstof efficiënt op te slaan en te transporteren. Een manier om dit te doen is om ammoniak als waterstofbron te gebruiken. Echter, ontdekking van een efficiënt proces voor het afbreken van ammoniak is moeilijk gebleken, grotendeels omdat het katalytische proces om ammoniak af te breken de continue toevoeging van warmte vereist, die onbetaalbaar kan zijn.

Katsutoshi Nagaoka, Takaaki Eboshi, Yuma Takeishi, Ryo Tasaki, Kyoto Honda, Kazuya Imamura, en Katsutoshi Sato van de Oita University in Japan hebben een methode ontwikkeld die gebruik maakt van een nieuwe katalysator voor het produceren van waterstof uit ammoniak zonder toevoeging van externe warmte via de katalytische cyclus. Hun werk verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang .

De ontleding van ammoniak in waterstof en stikstof is een endotherm proces, wat betekent dat het de toevoeging van energie vereist om producten te verkrijgen. Dit betekent dat traditionele katalytische ontledingsreacties de toevoeging van een grote hoeveelheid warmte vereisen om een ​​bruikbare hoeveelheid waterstofgas te verkrijgen.

Nagaoka et al. ontwikkelde een katalysator die is gemaakt van een RuO ₂ nanodeeltjes ondersteund op γ-Al ₂ O ₃ katalysator bed. Na het zuiveren van hun katalysator van H ₂ O en CO ₂ , ammoniak en zuurstof werden toegevoegd aan het reactievat waar ammoniak werd geadsorbeerd op het katalytische oppervlak, waardoor de temperatuur stijgt. Deze temperatuurstijging katalyseerde de oxidatieve ontleding van ammoniak, een exotherm proces. Dit verhitte de reactie, Die op zijn beurt, leverde de energie voor de endotherme ontleding van ammoniak in waterstof en stikstof.

De voorbehandeling van de katalysator vereiste verwarming om water en kooldioxide te verwijderen, maar het vereiste geen latere heropwarming. Testen op katalysatorcycli toonden aan dat na de eerste voorbehandeling van de RuO ₂ /γ-Al ₂ O ₃ katalysator met helium bij 300 ^O C, de katalysator was in staat drie keer te circuleren en toch waterstof te produceren in maximale opbrengsten. Verder, deze studies omvatten oxidatieve passivering om ervoor te zorgen dat er geen warmte werd geproduceerd door oxidatie van Ru tot RuO ₂ . In praktijk, oxidatieve passivering is niet nodig. Dus, hoewel verwarming nodig is om de katalysator voor te behandelen, verwarming is niet vereist voor extra cycli van de katalysator.

In een poging om te begrijpen hoe de RuO ₂ /γ-Al ₂ O ₃ katalysator werkt, Nagaoka et al. vergeleek de maximale katalytische bedtemperatuur die het gevolg is van zelfverhitting van RuO ₂ / -Al ₂ O ₃ naar RuO ₂ /La ₂ O ₃ , een bekende ammoniakontledingskatalysator. Ze ontdekten dat de op aluminium gebaseerde katalysator werd verwarmd tot een maximale temperatuur van 97 ^O C, terwijl de op lanthaan gebaseerde katalysator werd verwarmd tot een maximale temperatuur van 53 ^O C. Dit is belangrijk omdat de zelfontbrandingstemperatuur voor de oxidatieve verbranding van ammoniak 90 . is ^O C, en het verklaart waarom er betere reactieopbrengsten werden gezien met RuO ₂ / -Al ₂ O ₃ .

De auteurs wijzen erop dat dit verschil in adsorptietemperatuur waarschijnlijk te wijten is aan de gunstige interactie tussen ammoniak, een basismolecuul, en Ali ₂ O ₃ , wat een Lewis-zuur is. La ₂ O ₃ , anderzijds, is een Lewis-base.

Aanvullend, de auteurs keken naar het verschil tussen het gebruik van kale γ-Al ₂ O ₃ als katalysator en RuO ₂ / -Al ₂ O ₃ . Ze ontdekten dat 90% van de ammoniak adsorbeert op kale γ-Al2O3 in vergelijking met het katalysatorbed en de RuO ₂ nanodeeltje. Dit houdt in dat ammoniak chemisch wordt geabsorbeerd op het nanodeeltje en γ-Al ₂ O ₃ , die vervolgens meerlaagse fysisorptie bevordert.

Algemeen, dit type katalysator is nuttig bij het leveren van voldoende warmte om de benodigde warmtevereisten voor de endotherme ontleding van ammoniak in waterstof en stikstofgas te overwinnen. Deze studie toont aan dat zelfverhittingskatalyse een haalbare optie is om oplossingen te zoeken voor de praktische problemen bij het gebruik van ammoniak als brandstof voor waterstof.

© 2017 Fys.org