Screening of metal effect on TiO2 supported catalysts for bio-oil hydrodeoxygenation

Abstract

Klimaforandringar tvingar samfunnet til å erstatta fossile brensle. Elektrisitet og hydrogen sjås på som for tunge for flygemaskinar. Difor forskas det på parafin laga frå lignocellulose biomasse. Biomassar produserer olje som inneheld store mengder oksygenatar, som må fjernast for å kunna laga parafin med dei rette brennverdiane. Denne forskinga tek føre seg omsetninga av eit typisk molekyl i lignocellulose med namn anisole. Det katalytiske studiet hadde til hensikt å forstå beitre ulike metallars effekt på ein TiO2 berar. Elleve forskjellige metallar vart testa i ein eksperimentell rigg, beståande av ei fastsatt katalysator reaktor. Tre metallar vart testa på SiO2 berar òg for samanlikning. Alle kalysatorar vart impregnerte med metall til å vera 2% av den totale massen. Reaksjonsvilkåra vart 350C med eit partielle trykk på 5 bar og 0.05 bar for hydrogen og anisole høvesvis. I tillegg vart ei rekke Arrhenius forsøk gjennomførte for å kvantifisera aktiveringsenegien for omgjeringa frå anisole til dei primære produkta frå reaksjonsnetterket. Arrhenius forsøka vart gjennomførte på Ni/TiO2 og Pd/TiO2 katalysatorar. For å komplementera dei katalystiske forsøka, ei rekke karakteriseingsanalysar vart gjennomførte for å forstå betre korleis verkemåte katalysatorane har. Metodane som vart tekne i bruk var XRF, BET-BJH, TPR, TPD, XRD and TGA.

Dei katalytiske forsøka viste at Rh/TiO2 og Pt/TiO2 hadde den høgaste katalytiske aktiviteten og den høgaste selektiviteten. Dei vart òg katalysatorane som hadde den høgste dispersjonen basert på XRD resultata. Ifølgje TPD resultata hadde dei same katalysatorane sterkare syre seter enn dei andre katalysatorane i forsøka. I tillegg hadde dei sterkare hydrogen adsorpsjon. Det vart ikkje identifisert noko klar trend frå periodesystemet, sjølv om det er mogleg at dispersjon, metallvekt, og overflateareal kan ha påverka resultata nokre. Metalla på SiO2 berarane hadde lågare katalytisk aktivitet og selektivitet enn dei tilsvarande metalla på TiO2, som viser at TiO2 har ein betydeleg effekt på katalysatoren. Dei ikkje-edle metallane hadde låg katalystisk aktivitet og selektivitet ved vilkåra i forsøka. Det var oppdaga ei korrelajon mellom generell katalytisk aktivitet og benzen produksjon, noko som indikerar at benzen truleg er eit sekundært produkt og ikkje primært som fyrst anteke. Ei følgjande hypotese er at direkte hydrogenolyse av anisole ikkje finn stad ved desse vilkåra. Den observerte aktiveringsenergien til Ni/TiO2 vart høgara enn for Pd/TiO2 for benzen produksjon. Samstundes, vart reaksjonshastigheta høgare for Pd/TiO2 enn Ni/TiO2. Dette kan vera relatert til tilgjengelegheita til hydrogen eller ei for rask desorpsjon av reaktantar på Ni/TiO2. Uansett foreslås det å forska vidare for gi betre svar.

Climate change has forced society to replace fossil fuels. Electricity and hydrogen are considered too heavy for aviation. Therefore, research into kerosene from lignocellulosic biomass is gaining traction. Bio-oil contains a substantial amount of oxygenates, which need to be removed to produce kerosene with the correct calorific value. This study investigated the conversion of a model compound, anisole, found in bio-oil. The catalytic study was to study the metal effect on TiO2 supported catalyst. 11 different transition metals were studied in an experimental rig with a packed bed reactor. Three metals were also studied on SiO2 support for comparison. All catalysts were loaded to 2wt%. The reaction conditions were 350C, and partial pressures of 5 bar and 0.05 bar for hydrogen and anisole, respectively. In addition, an Arrhenius study was performed to identify the apparent activation energy of the primary products. Arrhenius study was performed with Ni/TiO2 and Pd/TiO2 catalyst. To complement the catalytic study, the catalysts were characterized to give better insight into the catalytic properties of the catalyst. The characterization methods used were XRF, BET-BJH, TPR, TPD, XRD and TGA.

The catalytic screening showed that Rh/TiO2 and Pt/TiO2 had the highest catalytic activity and selectivity. They were the catalysts with the highest dispersion, according to XRD analysis. According to TPD analysis, they had stronger acid sites than the other catalysts analysed and stronger hydrogen adsorption. No clear periodic trends were found in the study, although factors such as loading, dispersion, and surface area may influence the results somewhat. The SiO2 supported catalyst performed worse than their TiO2 counterparts, indicating the positive effect of TiO2. Base metals suffered from low activity and selectivity in the condition of this study. The correlation between catalytic activity and benzene indicated that benzene may be a secondary product of phenol. It is hypothesised that direct hydrogenolysis of the oxygen-aryl bond does not occur under the experiment's conditions. The apparent activation energy of Ni/TiO2 was higher than Pd/TiO2 for benzene production. However, the overall reaction rate towards benzene was higher for Pd/TiO2. This might be related to the availability of hydrogen or too fast desorption on Ni/TiO2. Nevertheless, more investigation is required to give more clear answers.