Développement de Ni

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12928 (2023) Citer cet article

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Le biogaz est largement considéré comme une source d’énergie renouvelable prometteuse. Récemment, la conversion directe du biogaz sur des catalyseurs hétérogènes pour la production simultanée de gaz de synthèse et de nanotubes de carbone présente un potentiel élevé pour une utilisation complète du biogaz avec de grands avantages. Impliquant le reformage sec combiné du méthane et la décomposition catalytique du méthane, l’efficacité du procédé dépend fortement de l’activité/stabilité du catalyseur, principalement causée par le dépôt de carbone. Dans cette étude, le catalyseur Ni-Mo est conçu pour offrir des performances à vie et une activité élevée dans le processus combiné. La modification de surface des catalyseurs par un prétraitement de carburation contrôlé est proposée pour la première fois afin de produire un catalyseur au carbure tout en améliorant la stabilité du catalyseur ainsi que la réactivité pour la conversion directe du biogaz. Les performances des catalyseurs au carbure tels que préparés sont étudiées par comparaison avec celles des catalyseurs à base d'oxyde et métalliques. En conséquence, le catalyseur Ni-Mo2C a présenté une activité et une stabilité supérieures à celles de ses homologues, même si le nanocarbone condensé était largement développé et recouvert à la surface. De plus, jusqu'à 82 % de la conversion du CH4 et 93 % de la conversion du CO2 pourraient rester presque constants à 800 °C pendant toute la période d'essai de 3 h sous un flux d'entrée à haut débit de biogaz pur à 48 000 cm3 g−1 h−1. . Les spectres XPS des catalyseurs ont confirmé que la présence d'espèces Mo2C à la surface du catalyseur pourrait favoriser la stabilité et la réactivité du catalyseur, entraînant ainsi une productivité plus élevée des nanotubes de carbone sur une période plus longue.

L'augmentation drastique de la population mondiale et la transformation industrielle radicale sont considérées comme la principale raison de la croissance exponentielle de la demande totale d'énergie. En effet, une part gigantesque des approvisionnements énergétiques mondiaux est dominée par la combustion de combustibles fossiles, qui devrait être l’une des sources cruciales d’émissions de CO2 et entraîner des problèmes environnementaux. Entre-temps, l’hydrogène est de plus en plus reconnu dans le monde entier comme vecteur d’énergie et comme carburant potentiel qui promet de réduire la consommation de ces combustibles fossiles conventionnels. De plus, il propose des solutions sans pollution pour le développement durable de la technologie des piles à combustible1,2,3. À l’heure actuelle, de nombreuses voies possibles ont été proposées pour la production d’hydrogène, telles que le reformage à la vapeur, l’oxydation partielle, la gazéification du charbon, la pyrolyse des hydrocarbures, etc.4,5,6,7. Outre les productions traditionnelles d'énergies renouvelables, le reformage à sec du méthane (DRM) dans l'Eq. (1) est de plus en plus étudié et constitue la voie la plus attractive pour valoriser le biogaz et produire des mélanges de gaz de synthèse (H2 + CO). En effet, il peut fournir du gaz de synthèse avec un rapport H2/CO proche de 1,0, notamment en raison de la réduction de deux des principaux gaz à effet de serre8,9.

Il a été constaté que les métaux actifs appartenant à des groupes tels que Ru, Rh, Ir, Pd et Pt présentent une réactivité supérieure et des performances stables avec une résistance élevée à la formation de coke dans les DRM. D’une part, le coût non économique de ces catalyseurs à base de métaux précieux et leur disponibilité limitée les rendent impropres aux applications commerciales de mise à l’échelle10. Les catalyseurs à base de Ni sur support, en revanche, sont suggérés de loin en raison de leur prix abordable et de leur activité comparable à celles des métaux nobles11,12,13,14. Néanmoins, la désactivation de la phase active affectée par l'empoisonnement au carbone, qui se produit principalement lors du processus de reformage, constitue le principal inconvénient de ces catalyseurs de reformage15. À cet égard, la plupart des études ont été menées en mettant l’accent sur la manière de prévenir ces dépôts carbonés indésirables à la surface du catalyseur16,17,18,19. Dans nos travaux précédents20, nous avons proposé avec succès une approche efficace pour surmonter cette préoccupation majeure en transformant le carbone déposé en nanomatériaux précieux tels que les nanotubes de carbone (CNT), qui peuvent être simultanément favorisés parallèlement à la réaction de décomposition catalytique du méthane (CDM), comme le montre dans l'équation. (2). Les résultats ont démontré que l'utilisation de catalyseurs bimétalliques Ni-Mo/MgO présentait des performances catalytiques exceptionnelles à 800 °C dans la conversion du biogaz en gaz de synthèse riche en H2 et en nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) via les processus d'intégration entre le reformage à sec du méthane. et décomposition catalytique du méthane. Néanmoins, du point de vue pratique à long terme, une forte baisse des vitesses de réaction du CH4 et du CO2 semblait devenir évidente. Ce comportement de dégradation peut s'expliquer par la désactivation du catalyseur lors d'un fonctionnement de 20 heures. Par conséquent, il existe un souhait de développer davantage un catalyseur qui soit peu coûteux, bien qualifié et capable de résister pendant une durée prolongée.