El laboratori de catàlisi y energia forma part del grup de recerca Nanoenginyeria de Materials Aplicats a l’Energia (NEMEN) de la UPC. Una de les principals activitats del grup NEMEN és el desenvolupament de catalitzadors i reactors catalítics per a l’obtenció d’hidrogen i pel desenvolupament de tecnologies relacionades amb l’hidrogen. El grup NEMEN forma part de l’Institut de Tècniques Energètiques i del Departament d’Enginyeria Química de la Universitat Politècnica de Catalunya.
Un dels principals reptes per desenvolupar totalment els reactors de fusió nuclear és la recuperació dels isòtops d’hidrogen i la separació d’aquests de les impureses generades en el reactor nuclear. L’ús de membranes de Pd per separar l’hidrogen de les possibles impureses s’ha estès en els darrers anys, això no obstant, la presència de monòxid de carboni (CO) o metà (CH4) malmet les membranes i redueix dràsticament la seva vida útil. Per tant, cal trobar mecanismes que protegeixin les membranes de Pd per augmentar-ne la seva durabilitat i eficiència. En aquest sentit, el principal objectiu del grup NEMEN és preparar un catalitzador multicomponent que cobreixi, protegeixi i mantingui el rendiment elevat la membrana de Pd fent reaccionar i descompondre aquelles impureses que puguin malmetre-la i sense que impliqui un consum d’hidrogen. Aquest objectiu forma part de la tasca 2.4 del projecte FusionCAT del qual el grup NEMEN en forma part.
La selecció i el desenvolupament de catalitzadors multicomponent suposen en sí mateix un repte, donat que les principal reaccions catalítiques necessàries per eliminar la majoria d’impureses ocorren a diferents condicions de temperatura i pressió. Per tant, tenint en compte les principals reaccions i els diferents catalitzadors trobats a la bibliografia, s’han preparat i estudiat diferents formulacions de catalitzadors per estudiar-ne la seva viabilitat.
En química, el suport d’un catalitzador, normalment un sòlid amb una elevada àrea superficial, on el catalitzador es troba adherit. El suport pot ser catalíticament inert, però freqüentment contribueix de manera significativa en les reaccions catalítiques. Per tant, no només és important trobar el suport adequat per a cada catalitzador, si no també maximitzar la seva àrea superficial. Els principals materials analitzats per a ser emprats com a suport son aquells basats en la ceria (CeO2), l’alúmina (Al2O3), la zircònia (ZrO2) i l’òxid de lantani (La2O3) i els metalls níquel (Ni), ferro (Fe) i Rodi (Rh) com a fases actives. A la taula 1 es mostres els catalizardors preparats, així com el tant per cent en pes (%wt) de fase activa i els precursors estudiats.
| Catalitzador | Fase activa (% wt.) | Precursors suport | Precursors fase activa | |
|---|---|---|---|---|
| 1 | NiFe/CeLaOx | 15% Ni, 3% Fe | Ce(NO3)3, La(NO3)3 | Fe(NO3)3, Ni(NO3)2 |
| 2 | NiFe/AlCeZrLaOx | 15% Ni, 3% Fe | CeCl3, ZrOCl2, Al(OH)3, La(NO3)3 | Fe(NO3)3, Ni(NO3)2 |
| 3 | NiFeRh/AlCeZrLaOx | 14,6% Ni, 2,9% Fe, 1,5% Rh | Fe(NO3)3, Ni(NO3)2, RhCl3 | |
| 4 | Rh/AlCeZrLaOx | 1,5% Rh | CeCl3, ZrOCl2, Al(OH)3, La(NO3)3 | RhCl3 |
Taula 1: Catalitzadors preparats.
En la Figura 1 es mostra el sistema de reacció dissenyat per avaluar la viabilitat dels diferents catalitzadors sota diferents condicions de pressió i temperatura. El sistema consisteix en quatre línies de gas (CO, O2, H2 i CH4) connectats a controladors màssics i una línia líquida (H2O) connectada a una bomba d’injecció d’un cromatògraf líquid d’alta eficàcia (HPLC). Totes les línies es troben calefactades i connectades a vàlvules antiretorn abans d’entrar al reactor. El reactor està situat en un forn d’alta temperatura regulat per un controlador de temperatura (± 0,1 °C) i un termoparell. A la sortida del reactor s’han connectat un filtre, una vàlvula per regular-ne la pressió i un manòmetre. Alhora, els gasos sortints del reactor es fan passar per un condensador i posteriorment s’analitzen cada 5 minuts en un cromatògraf de gasos durant el transcurs de l’experiment. El llit catalític s’ha mantingut constant i uniforme a 0.6 cm3 amb dilució amb carbur de silici durant tots els experiment realitzats.
Figura 1: Esquema del sistema de reacció empleat.
Les mostres abans i després de reacció es van analitzar mitjançat difracció de raigs-X (XRD) i espectroscòpia Raman per determinar les fases cristal·lines presents. Per tal de determinar l’estat d’oxidació dels elements presents es va emprar l’espectroscòpia de fotoelectrons emesos per raigs X (XPS). Finalment, es va analitzar el comportament catalític dels diferents catalitzadors. La figura 2 mostra conversió de monòxid de carboni (CO) en funció de la temperatura per a tots els catalitzadors preparats. Els resultats mostren com els catalitzadors basats en els òxids de Ce/Al/Zr/La i fase activa dels metalls Ni/Fe o Ni/Fe/Rh mostren una conversió completa en un interval ampli de temperatures.
Figura 2. Evolució de la conversió de CO en funció del catalitzador emprat i la temperatura de reacció.
El proper pas és desenvolupar un reactor catalític de membrana (CMR), amb una membrana formada per un aliatge de Pd, on integrar els catalitzadors estudiats en forma de pèl·lets i estudiar el seu comportament en funció de la pressió i la temperatura.