Nickel incorporated silica aerogels for the catalytic hydration of carbon dioxide.

Abstract

Denne oppgaven investigerer potensialet for å inkorporere nikkel i en silika aerogel atomisk og om en slik katalysator vil være aktiv for hydrering av karbondioksid. For å oppnå dette ble det brukt en optimalisert medforløper metode etterfulgt av tørking i omgivelsestrykk. Nikkelforløperene nikkel(II) nitrat heksahydrat og nikkel(II) acetat tetrahydrat ble studert som nikkelforløpere i varierende konsentrasjoner. Synteseløsningen ble også modifisert med salpetersyre, ammoniakk og eddiksyre i et forsøk på å redusere krystalline faser. De produserte aerogelene ble karakterisert via røntgendiffraksjon for å investigere om krystallinske faser var til stede. Dette ble etterfulgt av nitrogenfysisorpsjons eksperiment av de prøvene uten krystallinske faser for å få innsikt i overflate- og poreegenskapene til aerogelene. Aerogeler bekreftet til å være innenfor etablerte parametere ble deretter analysert via induktivt koblet plasmamassespektrometri for å forstå den endelige sammensetningen til de fullførte aerogelene. Karakteriseringen viste at nikkel(II) nitrat heksahydrat var dårlig egnet til bruk som nikkelforløper på grunn av dannelsen av en krystallinsk fase av ammonium nitrat i tillegg til nikkeloksid. Nikkel(II) acetat tetrahydrat viste ingen indikasjoner på krystallinske faser og ødela ikke overflate- eller poreegenskapene til silika aerogelene når molart Ni: Si forhold var mellom 0.05 og 0.10. Syrebehandling til pH 4.0 viste indikasjoner av å redusere nikkeloksid faser som oppstod ved høyere Ni: Si forhold, men forårsaket også betraktelig høyere tap av nikkel under syntesen. Alle prøvene uten krystallinske faser hadde ønskelige overflate- og poreegenskaper og hadde et eksperimentelt bekreftet nikkelinnhold mellom 1,4-3,1 vekt%. De inkorporerte nikkelkationene viste indikasjoner av å være katalytisk aktive for hydreringen av karbondioksid, som påvist av raskere fall i pH når CO2 ble boblet gjennom løsninger med katalysatoren enn uten.

This thesis investigates the potential of incorporating nickel into silica aerogels in an atomic manner and whether such a catalyst would be active for the hydration of carbon dioxide. To achieve this, surface modification of the wet gel by an optimised co-precursor method was performed, followed by ambient pressure drying. The nickel precursors nickel(II) nitrate hexahydrate and nickel(II) acetate tetrahydrate were investigated as nickel precursors at varying concentrations. The synthesis solution was also modified with nictric acid, ammonia or acetic acid in an attempt to reduce crystalline phases. The produced aerogels were characterised with X-ray diffraction to investigate whether crystalline phases were present. Following this, nitrogen physisorption experiments were conducted on samples without crystalline phases to gain insight into the surface and porous properties of the aerogels. Aerogels confirmed to be within established parameters were then analysed with inductively coupled plasma mass spectroscopy to understand the final elemental composition of the finished aerogels. The characterisation showed that nickel(II) nitrate hexahydrate was unfit for use as a nickel precursor due to the formation of a crystalline phase of ammonium nitrate as well as nickel oxide. Nickel(II) acetate tetrahydrate on the other hand did not show indications of crystalline phases and did not compromise the surface or porous properties of the silica aerogels when the Ni: Si molar ratio was between 0.05 and 0.10. Acid modification to pH 4.0 showed indications of reducing nickel oxide phases that appeared in samples with higher Ni: Si molar ratios, although it also caused higher loss of nickel during synthesis. All samples with no crystalline phases had surface and porous properties within desired values with a final nickel content of the aerogels were between 1.4 – 3.1 wt%. The incorporated nickel catalysts showed indications of being catalytically active for the hydration of carbon dioxide, as evidenced by a faster drop in pH when CO2 was bubbled through solutions with the catalyst than in solutions without.