Multicomponent model catalysts for renewable energy generation: understanding the synergistic effect of metal and metal-oxide nanostructures on transformations of alcohols  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
100793
Type K
Principal investigator Pászti, Zoltán
Title in Hungarian Sokkomponensű modellkatalizátorok megújuló forrásból történő energiatermelésre: fém és fém-oxid nanoszerkezetek szinergikus hatása alkoholok átalakulásaiban
Title in English Multicomponent model catalysts for renewable energy generation: understanding the synergistic effect of metal and metal-oxide nanostructures on transformations of alcohols
Keywords in Hungarian modellkatalizátor, nanoszerkezet, in situ felületspektroszkópia, alkohol reformálás, tüzelőanyagcella elektrokatalizátor
Keywords in English model catalyst, nanostructure, in situ surface spectroscopy, alcohol reforming, fuel cell anode catalyst
Discipline
Chemical Engineering (Council of Physical Sciences)60 %
Ortelius classification: Applied chemistry
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)25 %
Ortelius classification: Surface chemistry
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)15 %
Panel Chemistry 2
Department or equivalent Institute of Materials and Environmental Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Participants Bálint Hakkel, Orsolya
Borbáth, Irina
Gubán, Dorottya
Guczi, László
Keszthelyi, Tamás
Majrik, Katalin
Szijjártó, Gábor
Tálas, Emília
Tompos, András
Starting date 2012-01-01
Closing date 2016-12-31
Funding (in million HUF) 16.766
FTE (full time equivalent) 15.69
state closed project
Summary in Hungarian
A fosszilis energiahordozók kiváltására kínál lehetőséget a rövid szénláncú alkoholok, - mint a metanol és az etanol - megújuló energiaforrásként való alkalmazása. Ezek az alkoholok reformálással hidrogén előállítására használhatók, direkt metanol és etanol üzemanyagcellákban pedig közvetlenül hasznosíthatók. Alkoholok reformálására illetve direkt alkoholos üzemanyagcellák anódjai számára sok laboratóriumban fejlesztenek katalizátorokat, noha a reakciómechanizmusokról rendelkezésre álló gyakran ellentmondásos információk nehezítik az innovatív fejlesztő munkát.
A jelen pályázat célja kettős. Egyfelől molekuláris szinten meg kívánjuk érteni az etanol Ni-alapú többkomponensű modellkatalizátorokon végbemenő reformálásának elemi lépéseit. Másfelől célul tűzzük ki a metanol és etanol adszorpciós tulajdonságainak és bomlási mechanizmusának felderítését Ti-W vegyes oxid hordozós Pt modellkatalizátoron, ami az anódkatalizátorok új generációját képviselheti. Kísérleteinkben nagy hangsúlyt helyezünk a modellfelületek rezgési spektroszkópiai vizsgálatára, amellyel a valós katalizátorok működési feltételeit megközelítő körülmények között jellemezhetjük a modellrendszereket. Rezgési- és fotoelektron-spektroszkópiai méréseinkkel azonosítani kívánjuk az egyes reakciólépések során keletkező adszorbeátumokat, fel kívánjuk deríteni az egyes reakcióutakhoz tartozó köztitermékeket és meg kívánjuk határozni különböző fémes és fém-oxid felületmódosítók hatását a reakciómechanizmusra, hogy feltárhassuk a reakcióút és a végtermék-megoszlás felületi összetétel és nanoszerkezet általi befolyásolásának lehetőségeit.
Summary
In the search for alternative energy resources to take over the dominancy of fossil fuels, short chain length alcohols like methanol or ethanol emerge as particularly promising renewable energy carriers, as these alcohols can be utilized either as a hydrogen source via steam reforming or as feedstock for direct methanol and ethanol fuel cells. Although catalysts for reforming of alcohols as well as anode catalysts for direct methanol and ethanol fuel cells are continuously developed in the leading laboratories of the world, knowledge about the mechanism of the reforming or the electrooxidation reaction is rather controversial, which hinders the rational design of novel catalysts.
The aim of the proposed project is twofold. On the one hand, our purpose is to obtain molecular level understanding of the elementary reaction steps of ethanol reforming over multicomponent Ni-based model catalysts. In addition, exploring the adsorption modes and decomposition pathways of methanol and ethanol over an innovative fuel cell anode catalyst, Pt-containing Ti-W mixed oxide is also proposed. By using surface science tools, including sum frequency generation vibrational spectroscopy under conditions similar to the working conditions of the related real catalysts, surface adsorbates created during the reactions will be identified and important intermediates belonging different reaction pathways will be determined. Effects of metallic and metal-oxide surface modifiers on the reaction mechanism will be analyzed in order to explore the possibilities for influencing the preferential reaction pathways and product distributions by suitable choice of the composition and nanostructure of the model systems.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projektben célunk volt alkoholok átalakulásainak molekuláris szintű megértése reformálási reakciókban sokkomponensű katalizátorfelületeken, továbbá újfajta, oxofil adalékokat tartalmazó Pt-alapú elektrokatalizátorok fejlesztése polimer elektrolit membrános (PEM) tüzelőanyag-elemekhez. Az etanol vízgőzös reformálás irodalomban felmerült köztitermékei közül az acetaldehidet találtuk kiemelkedően fontosnak. Kimutattuk, hogy a vízgőz jelenléte meghatározza az acetaldehid további átalakulásának irányát, amellett, hogy biztosítja a reakció során a katalizátorfelületen kialakuló szenes képződmények oxidációjához szükséges hidroxilcsoportokat. Igazoltuk újfajta többkomponensű katalizátorok hatásosságát metanol fotokatalitikus reformálásában is. Feltártuk az ultraibolya fényt igénylő Pt/TiO2 fotokatalizátorok ónnal történő módosításának hatását a katalitikus tulajdonságokra. Megállapítottuk, hogy a látható fényben is aktív GaN-ZnO alapú fotokatalizátorok komplex fázisátalakuláson mennek keresztül a reakciókörülmények között. Újfajta Ti(1-x)MxO2-C (M= W, Mo; x= 0.2-0.4) vegyes oxid – szén kompozit hordozót fejlesztettünk ki Pt-alapú PEM tüzelőanyagelem-elektrokatalizátorokhoz. A katalizátorok megnövelt CO-tűrése és stabilitása lehetővé teszi a Pt tartalom csökkentését, ami fontos az elérhető árú PEM tüzelőanyag-elemek létrehozásához. Igazoltuk a kizárólag Sn-Pt ötvözet fázist tartalmazó kétfémes katalizátorok kiemelkedő teljesítőképességét elektrokatalitikus alkalmazásokban.
Results in English
Our aims in this research project were to understand the catalytic transformations of alcohols at the a molecular level on multicomponent metal-oxide model systems used in reforming reactions and to develop novel Pt-based electrocatalysts containing oxophilic dopants for polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell electrodes. Among the intermediates proposed in the literature, we identified acetaldehyde as a key compound in ethanol steam reforming. Further transformation of acetaldehyde is directed by the presence of water vapor, which also provides the necessary hydroxyl groups for oxidation of carbonaceous deposits formed during the reaction. Photocatalytic reforming of methanol was found to be feasible on novel multicomponent catalysts. The materials science background of the modification of the Pt cocatalyst by Sn was explored in TiO2 based photocatalysts driven by ultraviolet light. In visible light active GaN-ZnO based catalysts a complex phase transformation was observed under reaction conditions. In the project novel Ti(1-x)MxO2-C (M= W, Mo; x= 0.2-0.4) mixed oxide-carbon composite supports were developed for Pt-based PEM fuel cell electrocatalyst applications. The enhanced CO tolerance and good stability of these catalysts allows to decrease the Pt content which is crucial in developing more affordable fuel cells. The superior performance of bimetallic Sn-Pt catalysts containing exclusively Sn-Pt alloys was also demonstrated in PEM fuel cell related applications.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=100793
Decision
Yes





 

List of publications

  
O. Hakkel, Z. Pászti, A. Berkó, T. Keszthelyi, L. Guczi: Interaction of carbon monoxide and water molecules with Au(111) surfaces, 14th Joint Vacuum Conference, June 4-8 2012, Dubrovnik, Croatia, Book of Abstract P-117, Poster, 2012
D. Gubán, I. Borbáth, F. Hirth, A. Tompos, Z. Pászti, I. Sajó, J. L. Margitfalvi: Design of highly active and CO-tolerant anode electrocatalysts for hydrogen PEM fuel cells, 15th International Congress on Catalysis, July 1-6 2012, München, Germany, Book of Abstract #1131, Oral by D. Gubán, 2012
Z. Pászti, O. Hakkel, D. Teschner, A. Berkó, L. Guczi: High pressure XPS and STM study of structural modifications of gold model catalysts upon exposure to reactant gases, Satellite workshop “In situ Spectroscopy and Model Catalysis” accompanying the 15th ICC, July 7 2012, Kloster Andechs, Germany. Oral by Z. Pászti, 2012
Gábor P Szijjártó, Zoltán Pászti, István Sajó, András Erd}ohelyi, György Radnóczi, András Tompos: Nature of the active sites in Ni/MgAl2O4-based catalysts designed for steam reforming of ethanol, J CATAL 305: 290-306, 2013
Majrik K, Tálas E, Pászti Z, Sajó I, Mihály J, Korecz L, Drotár E, Tompos A: Enhanced activity of sol-gel prepared SnOx-TiO2 in photocatalytic methanol reforming, APPL CATAL A-GEN 466: 169-178, 2013
Borbáth I, Gubán D, Pászti Z, Sajó IE, Drotár E, de la Fuente JLG, Herranz T, Rojas S, Tompos A: Controlled synthesis of Pt3Sn/C electrocatalysts with exclusive Sn-Pt interaction designed for use in direct methanol fuel cells, TOP CATAL 56: 1033-1046, 2013
Z. Pászti, G. P. Szíjjártó, O. Hakkel, I. Sajó, A. ERdőhelyi, G. Radnóczi, A. Tompos: Synergistic effect of metal and metal-oxide nanostructures on ethanol reforming over non-noble-metal based model catalysts, 11th European Congress on Catalysis, Sept. 1-6, Lyon, France, Book of Abstracts POSTER3-T2-363, 2013
Z. Pászti, G. P. Szíjjártó, O. Hakkel, A. Erdőhelyi, G. Radnóczi, A. Tompos: Synergistic effect of metal and metal-oxide nanostructures on ethanol reforming over non-noble metal based model catalysts, 19th International Vacuum Congress, 9-13 Sept., Paris, France, Book of Abstracts, SS-14-Or-1, 2013
D. Gubán, I. Borbáth, Z. Pászti, I. Sajó, E. Drotár, M. Hegedűs, A. Tompos: Preparation of novel CO-tolerant Pt-based PEM fuel cell anode electrocatalysts supported on titania-tungsten mixed oxide and activated carbon composite, Applied Catal. B, submitted, 2014
D. Gubán, I. Borbáth, Z. Pászti, I. Sajó, E. Drotár, M. Hegedűs, A. Tompos: Preparation of novel CO-tolerant Pt-based PEM fuel cell anode electrocatalysts supported on titania-tungsten mixed oxide and activated carbon composite, Applied Catal. B 174, 455-470, 2015
Borbáth I., Pászti Z., Gubán D., Vass Á., Tompos A.: CO toleráns anódoldalil elektrokatalizátorok fejlesztése PEM tüzelőanyag-cellákhoz, Magyar Kémiai Folyóirat 121, 80-88, 2015
D. Gubán, Z. Pászti, I. Borbáth, I. Bakos, E. Drotár, I. Sajó, A. Tompos: Design and preparation of novel CO tolerant anode electrocatalysts for PEM fuel cells, Periodica Polytechnica - Chem. Eng. 60, 29-39, 2016
Gubán D., Borbáth I., Pászti Z., Bálint Sz., Németh P., Gajdos G., Tompos A.: Irányított felületi reakciók alkalmazása PEM tüzelőanyag-elemek CO-toleráns anódoldali elektrokatalizátorainak fejlesztéséhez, Bohner B., Mesterházy E.: XXXVIII. Kémiai Előadói Napok, Program és előadás-összefoglalók, pp. 129-133, Magyar Kémikusok Egyesülete, Budapest-Szeged, 2015
Vass Á., Pászti Z., Tálas E., Bálint Sz., Németh P., Tompos A.: Ga2O3 katalizátorok szerkezeti átalakulása fotokatalitikus metanol reformálás alatt, Bohner B., Mesterházy E.: XXXVIII. Kémiai Előadói Napok, Program és előadás-összefoglalók, pp. 134-138, Magyar Kémikusok Egyesülete, Budapest-Szeged, 2015
D. Gubán, I. Borbáth, Z. Pászti, I. Sajó, E. Drotár, M. Hegedűs, A. Tompos: Preparation of novel CO-tolerant Pt-based PEM fuel cell anode electrocatalysts supported on titania-tungsten mixed oxide and activated carbon composite, Applied Catal. B 174, 455-470, 2015
D. Gubán, Z. Pászti, I. Borbáth, I. Bakos, E. Drotár, I. Sajó, A. Tompos: Design and preparation of novel CO tolerant anode electrocatalysts for PEM fuel cells, Periodica Polytechnica - Chem. Eng. 60, 29-39, 2016
Gubán D, Tompos A, Bakos I, Pászti Z, Gajdos G, Vass Á, Borbáth I: Irányított felületi reakciók alkalmazása PEM tüzelőanyag-elem katalizátorok előállítására, Bohner B, Ádám A, Timár Z, Ziegenheim Sz (szerk.) XXXIX Kémiai Előadói Napok. Program és előadás-összefoglalók, pp. 90-94, Szegedi Akadémiai Bizottság, 2016
Majrik K, Mihály J, Pászti Z, Tompos A, Tálas E: Pt-SnOx/TiO2 fotokatalizátorok előállítása és jellemzése, Bohner B, Ádám A, Timár Z, Ziegenheim Sz (szerk.) XXXIX Kémiai Előadói Napok. Program és előadás-összefoglalók, pp. 85-89, Szegedi Akadémiai Bizottság, 2016
Vass Á, Tompos A, Bakos I, Pászti Z, Szabó E, Sajó I, Borbáth I: CO-toleráns elektrokatalizátorok előállítása és vizsgálata, Bohner B, Ádám A, Timár Z, Ziegenheim Sz (szerk.) XXXIX Kémiai Előadói Napok. Program és előadás-összefoglalók, pp. 90-94, Szegedi Akadémiai Bizottság, 2016
Á. Vass, Z. Pászti, Sz. Bálint, P. Németh, G.P. Szíjjártó, A. Tompos, E. Tálas: Structrural evolution in Pt/Ga-Zn-oxynitride catalysts for photocatalytic reforming of methanol, Mater. Res. Bulletin 83, 65-76, 2016
Z. Pászti , O. Hakkel , G. P. Szíjjártó, A. Tompos: Adsorption and transformations of ethanol over ceria based model catalysts, Catal. Today (accepted), 2017
E. Tálas, Z. Pászti, L. Korecz, A. Domján, P. Németh, G.P. Szíjjártó, J. Mihály, A. Tompos: PtOx-SnOx-TiO2 catalyst system for methanol photocatalytic reforming: influence of cocatalysts on the hydrogen production, Catal. Today (submitted; with supporting reviewer opinion), 2017
I. Borbáth, D. Gubán, I. Bakos, Z. Pászti, G. Gajdos, I.E. Sajó, Á. Vass, A. Tompos: Exclusive formation of alloy phases via anchoring technique - from bimetallic catalysts to electrocatalysis, Catal. Today (accepted for publication), 2017
D. Gubán, A. Tompos, I. Bakos, Á. Vass, Z. Pászti, E.Gy. Szabó, I.E. Sajó, I. Borbáth: Preparation of CO-tolerant anode electrocatalysts for polymer electrolyte membrane fuel cells, International Journal for Hydrogen Energy (submitted), 2017
Á. Vass, Z. Pászti, Sz. Bálint, P. Németh, A. Tompos, E. Tálas: Structural transformation of Ga2O3-based catalysts during photocatalytic reforming of methanol, Materials Research Bulletin (submitted), 2017
Á. Vass, I. Borbáth, Z. Pászti, I. Bakos, I.E. Sajó, P. Németh, A. Tompos: Effect of Mo incorporation on electrocatalytic performance of Ti-Mo mixed oxide-carbon composite supported Pt electrocatalyst, Reaction Kinetics, Mechanism and Catalysis (submitted; with supporting reviewer opinion), 2017
D. Gubán, A. Tompos, I. Bakos, Z. Pászti, G. Gajdos, I. Sajó, I. Borbáth: CO oxidation and oxygen reduction activity of bimetallic Sn-Pt electrocatalysts on carbon: effect of the microstructure and the exclusive formation of the Pt3Sn alloy, Reaction Kinetics, Mechanism and Catalysis (submitted; with supporting reviewer opinion), 2017
Z. Pászti, O. Hakkel, G. P. Szíjjártó, A. Tompos: Adsorption and transformations of ethanol over ceria based model catalysts, 32th European Conference on Surface Science (ECOSS32) Grenoble, France, Aug. 28 – Sept. 02, 2016
D. Gubán, A. Tompos, Z. Pászti, S. Bálint, P. Németh and I. Borbáth: Controlled synthesis of CO-tolerant Pt3Sn/C anode electrocatalysts for polymer electrolyte membrane fuel cells, 21st World Hydrogen Energy Conference (WHEC 2016), Zaragoza (Spain) 06.13-06.16, 2016




 

Events of the project

  
2016-04-20 11:55:29
Résztvevők változása
2015-04-14 09:58:16
Résztvevők változása
2012-01-03 11:28:07
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Nanokémiai és Katalízis Intézet (MTA Kémiai Kutatóközpont), Új kutatóhely: Anyag- és Környezetkémiai Intézet (MTA Kémiai Kutatóközpont).



Back »