تاثير پايه هاي زئوليتي گوناگون روي ويژگي ها و عملكرد راكتوري نانوكاتاليست كروم اكسيد براي استفاده در فرايند هيدروژن گيري اكسايشي C2H6/CO2

Influence of Various Types of Zeolitic Supports on Catalytic Properties and Performance of Cr-Based Nanocatalysts Used in C2H6/CO2 Oxidative Dehydrogenation Process

در اين پژوهش، امكان به كارگيري پايه هاي زئوليتي و تاثير نوع هاي گوناگون آن بر روي ويژگي هاي كاتاليستي و عملكرد راكتوري نانوكاتاليست كروم اكسيد براي استفاده در فرايند هيدروژن گيري اكسايشي اتان به كمك كربن دي اكسيد مورد ارزيابي قرار گرفت. در اين راستا، شماري از كاتاليست هاي كروم اكسيد داراي 3.4 % وزني كروم با تلقيح پايه هاي زئوليتي انتخاب شده كلينوپتيلوليت، SAPO-34 و HZSM-5 تهيه شدند. بدين منظور، كلينوپتيلوليت خريداري شد و پايه هاي SAPO-34 و HZSM-5 به روش هيدروترمال تهيه شدند كه آناليزهاي XRD، FESEM، BET و EDX تهيه موفقيت آميز آن ها را تاييد كردند. تصويرهاي FESEM تشكيل كلوخه هاي كم تر و پراكندگي بهتر نانوذره هاي سطحي بر روي ذره هاي مكعبي شكل ZSM-5 را در مقايسه با ديگر پايه هاي زئوليتي تاييد كردند. نتيجه هاي آناليز TPD-NH3نشان داد كه با به كارگيري پايه كلينوپتيلوليت دستيابي به ويژگي هاي اسيدي بهتري در مقايسه با ديگر پايه هاي زئوليتي امكان پذير مي باشد كه به پايداري بالاي كاتاليست كمك شاياني مي كند. بر اساس نتيجه هاي آناليز EDX، به كارگيري پايه هاي تهيه شده به ويژه HZSM-5 به دليل سطح ويژه بالا سبب توزيع بهتر ذره هاي كروم مي شود كه وجود ذره هاي كروم فعال (اكسايشي-كاهشي) بيش تر بر روي سطح HZSM-5 را نويد مي دهد و اين امر در كنار نانوذرات سطحي يكنواخت و تشكيل كلوخه هاي كم تر در كاتاليست تهيه شده از دليل هاي كارآيي به تر نانوكاتاليست Cr/ZSM-5 برشمرده مي شود. براساس نتيجه هاي ويژگي سنجي، سطح ويژه پايين و توزيع نامناسب ذره هاي كروم در كاتاليست Cr/Clinotilolite و پوشش سطحي و بسته شدن حفره هاي SAPO-34 در كاتاليست Cr/SAPO-34 از دليل هاي اصلي پايين بودن بازدهي اين كاتاليست ها در مقايسه با به كارگيري پايه ZSM-5 مي باشند. ديده شد كه نانوكاتاليست Cr/ZSM-5 با بازده توليد اتيلن 45.4 % به خوبي اتان را در حضور CO2 و در دماي 700 به اتيلن تبديل مي كند. رسوب كك در نتيجه وجود سايت هاي اسيدي قوي عامل اصلي روند كاهشي ديده شده براي فعاليت كاتاليست Cr/ZSM-5 با گذشت زمان مي باشد.

In this study, the applicability of zeolitic supports and effect of zeolitic supports on catalytic properties and performance of Cr-based nanocatalysts used in oxidative dehydrogenation of ethane with CO₂ were investigated. In this regard, a series of chromium oxide-based catalysts containing 3.4 wt.% of Cr were prepared by incipient wetness impregnation of clinoptilolite, SAPO-34 and HZSM-5 chosen among the natural zeolites, zeo-type materials and synthetic zeolites, respectively. To this aim, clinoptilolite was purchased and SAPO-34 and HZSM-5 were successfully synthesized via the hydrothermal method as evidenced by XRD, FESEM, BET and EDX techniques. The formation of fewer agglomerations and better dispersion of surface nanoparticles over cubic-like particles of ZSM-5 compared to other zeolitic supports were
confirmed by FESEM images. The TPD-NH₃ results revealed that more desirable acidic properties were obtained by employing clinoptilolite compared to other zeolitic supports, resulting in high stability. Based on the EDX results, a higher dispersion of chromium species could be achieved using synthetic supports especially HZSM-5 due to their much higher specific surface area. This reflects in the higher content of redox Cr species stabilized in comparison with SAPO-34 and clinoptilolite, which alongside homogenous and fine surface nanoparticles and fewer agglomerations account for the superior catalytic performance of Cr/ZSM-5. Based on the characterization results, the low surface area of clinoptilolite and low dispersion of Cr species in Cr/Clinoptilolite and surface coverage and micropore blockage in Cr/SAPO-34 are mainly responsible for low ethylene yield of this catalyst compared with implementing ZSM-5 support. It was found that Cr/ZSM5 effectively dehydrogenated ethane to ethylene in the presence of CO₂ at 700 °C, giving 45.4% ethylene yield. Coke deposition as a result of the presence of strong acid sites is mainly responsible for decreasing trend observed for catalytic performance with increasing reaction time.