Schulze, Kai

Ni/Mg/Al catalysts derived from hydrotalcite-type precursors for the partial oxidation of propane

Synthesis and characterisation of physicochemical and catalytic properties

Abstract

Ni/Mg/Al containing anionic clays of hydrotalcite-type structure with varying Ni/Mg ratio and constant Al content were synthesised by coprecipitation. Their composition and structure was determined by elemental analysis, XRD, TG-MS and DSC. Their calcination at 700-1000°C resulted in the transformation into the corresponding mixed metal oxides, with their structure depending on the calcination temperature. Temperature programmed reduction/oxidation and high temperature XRD studies were applied to study their reducibility, Ni dispersion and the oxidation of the formed metallic nickel particles. The partial oxidation of propane to syngas could be successfully performed at temperatures between 600 and 900°C over reduced Ni containing catalysts. The conversion of propane and the yield of syngas increased with increasing reaction temperature. The catalysts with a low to medium Ni content exhibited better catalytic performance than those with a higher Ni content or a conventional steam reforming catalyst used as reference. Coking was found to decrease with increasing reaction temperature and to increase with increasing Ni content. Since several factors characterising the catalysts (BET surface area, Mg content and available Ni surface) follow the same or the opposite trend with the Ni content, it was impossible to differentiate between these properties and their effect on the catalyst performance or coking. By the use of the best catalyst an at least two-fold increase in the yield of carbon monoxide and eight-fold increase in the yield of hydrogen was observed compared with the non-catalytic reaction. Further investigations were performed to study the influence of the feed ratio and the space velocity.

Ni/Mg/Al-haltige hydrotalkitartige Feststoffe mit unterschiedlichem Ni/Mg-Verhältnis bei konstantem Al-Gehalt wurden mittels Copräzipitation synthetisiert. Die Bestimmung der Zusammensetzung und der Struktur erfolgten mittels Elementaranalyse, XRD, TG-MS und DSC. Durch Kalzinierung bei 700 bis 1000°C wurden sie, ihrer Metallzusammensetzung entsprechend, in die gemischten Metalloxidkatalysatoren überführt, wobei ihre Struktur von der Kalzinierungstemperatur abhing. Mittels temperaturprogrammierter Reduktion/Oxidation und Hochtemperatur-XRD wurden die Reduktion, die Ni-Dispersion und die Oxidation der reduzierten Ni-Partikel untersucht. Die partielle Oxidation von Propan zu Synthesegas konnte erfolgreich in Gegenwart aller reduzierten Ni-haltigen Katalysatoren bei Reaktionstemperaturen zwischen 600 und 900°C durchgeführt werden. Die Propanumsätze und die Synthesegasausbeuten stiegen mit steigender Reaktionstemperatur. Die Katalysatoren mit einem niedrigen bis mittleren Ni-Gehalt zeigten bessere katalytische Eigenschaften als die Katalysatoren mit einem hohen Ni-Gehalt oder als ein konventioneller “Steam Reforming“-Katalysator, der als Referenzkatalysator verwandt wurde. Die Verkokung der Katalysatoren verringerte sich mit steigender Reaktionstemperatur und sinkendem Ni-Gehalt der Katalysatoren. Da verschiedene die Katalysatoren beschreibende Eigenschaften (BET Oberfläche, Mg-Gehalt, verfügbare Ni-Oberfläche) denselben oder den umgekehrten Trend mit dem Ni-Gehalt aufwiesen, war es nicht möglich, zwischen diesen Eigenschaften und ihrem Einfluß auf das katalytische Verhalten oder die Verkokung zu differenzieren. Mit Hilfe des besten Katalysators wurden, verglichen mit der nicht katalysierten Reaktion, eine mindestens doppelt so hohe Ausbeute an Kohlenmonoxid und achtmal so hohe Ausbeute an Wasserstoff erzielt. Weitere Untersuchungen befaßten sich mit dem Einfluß des Eduktverhältnisses und der Durchsatzmenge.