Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
80 %
Ortelius classification: Surface chemistry
Chemical Engineering (Council of Physical Sciences)
20 %
Ortelius classification: Environmental chemistry
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Institute for Energy Security and Environmental Safety (Centre for Energy Research)
Participants
Győrffy, Nóra Sárkány, Antal Tellinger, Olga Vargáné Beck, Andrea
Starting date
2008-07-01
Closing date
2012-06-30
Funding (in million HUF)
0.762
FTE (full time equivalent)
7.98
state
closed project
Summary in Hungarian
Az egyik lehetőség a un. zéro-emissziós gépjárművek kialakítására a hidrogénnel működő tüzelőanyag cella (PEMFC) használata. A PEMFC-k hátránya azonban, hogy a nemesfém anód nagyon szénmonoxid-érzékeny. A PROX reakció célja a szénmonoxid tartalom szelektív oxidációja hidrogén jelenlétében. Célunk egy fiatalokból álló kutatócsoport létrehozása az MTA Izotópkutató Intézetben a PROX reakció nemzetközi szintű kutatásának vizsgálata céljából. A kutatócsoport célja a reális PROX rendszerben (H2, O2, CO, CO2, H2O, CH4) lejátszódó reakciók feltérképezése, mechanizmusuk meghatározása, a katalizátorok szerkezetének (Pl: változó oxidációs állapotú komponensek) hatásának vizsgálata. A vizsgálatok során részletesen kívánjuk tanulmányozni a szénmonoxid és hidrogén oxidációjának, valamint a mellékreakcióként lejátszódó víz-gáz (WGS) és fordított víz-gáz (RWGS) reakciók kinetikáját. A reakció mechanizmus pontos megismerése céljából a kinetikai vizsgálatok egy részét izotóppal jelzett molekulákkal kívánjuk végrehajtani. A katalizátorok készítését, jellemzését (adszorpcios módszerek, TEM, XRD, stb.) és katalitikus tesztreakciókat, in-situ spektroszkópiai technikákkal kívánjuk kiegészíteni együttműködésben a berlini Fritz-Haber Intézettel (főleg in-situ XPS és DRIFTS). Várható eredmények: információk a felületi aktív helyekről, a lejátszódó reakciók mechanizmusa, a katalizátorok működésének magyarázat, ötletet adás új, olcsóbb és hatékonyabb PROX katalizátorok kidolgozásához.
Summary
One possibility for the development of the so called zero-emission vehicles is the application of the Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). The CO content in the hydrogen feed to the anode of the PEMFC must, however, be kept below 10-100 ppm. The aim of preferential oxidation is to oxidize selectively CO in the presence of large hydrogen excess. The aim of the present project is to construct research group of young scientists in the Institute of Isotopes for studying the PROX reaction at a world class level. The research group aims at studying all possible reactions in a realistic PROX system (H2, O2, CO, CO2, H2O, CH4), examining the effect of catalyst structure (especially the role of reducible components). Detailed research will be carried on about the reaction kinetics of both CO and H2 oxidation as well as that of possible side reactions, mainly water-gas-shift (WGS) and reverse-water-gas shift (RWGS). In order to clarify the reaction pathways, some of the kinetic measurements will also be carried out with isotope-labeled compounds. Catalyst will be prepared and characterized using different methods (adsorption methods, TEM, XRD, etc..). The kinetic tests will be completed by in-situ spectroscopic techniques in cooperation with the Fritz-Haber Institute in Berlin, using high-pressure XPS and in-situ DRIFT spectroscopy. Expected results: information about surface active sites, reaction mechanism, suggestions for the development of suitable PROX catalysts, which are cheaper and more effective.
Final report
Results in Hungarian
A PEM tüzelőanyagcellákat tápláló hidrogénből az anódkatalizátort mérgező CO eltávolítása nagy jelentőségű folyamat. A támogatott kutatás keretében különböző típusú katalizátorrendszereket vizsgáltunk CO nagy feleslegű hidrogénben végzett katalitikus oxidációjában (PROX reakció). Részletesen tanulmányoztuk az Mn-, Co-, vegyes Mn-Co-oxid és a három aktív komponenst tartalmazó Au-CuO-CeO2 rendszereket. Elemeztük a komponensek egymásra gyakorolt hatását, az összetétel és a szerkezet összefüggéseit.
Megállapítottuk, hogy az Au/CuO/SiO2 katalizátor rendszer hatékonyabb PROX reakcióban, mint a Au/SiO2 és CuO/SiO2 katalizátorok (maximális CO konverzió, αCO=60-65%). A CuO/CeO2 rendszer a redukáló előkezelés után közel 100%-os CO konverziót biztosított, szűk hőmérsékletablakban. Az Au részecskék bevitele ennek csökkenését okozta.
Mn-oxalát lecsapásával és hőmérséklet programozott oxidációjával előállított nem-sztöchiometrikus MnOx esetén a kezdeti 90%-os CO konverzió folyamatosan csökkent a rácsból irreverzibilisen kivont oxigén miatt. Az oxalátos technikával előállított Co3O4 viszont 180oC körül közel 100%-os CO konverziót mutatott ismételt PROX ciklusokban egyre szélesebb hőmérséklettartományban (180-250oC). Az együtt lecsapott Mn- és Co-oxalátból kialakult Mn-szubsztituált Co3O4 esetén a 100% CO konverziót kaptunk a 130-180oC tartományban, amely szűkült az ismételt reakciókban. A jelenségek értelmezését az eredményeinket bemutató közleményekben részletesen kifejtjük.
Results in English
Removal of CO from hydrogen feed to PEM fuel cells is a practically important process. In the framework of this project different kinds of catalytic systems were examined in the CO oxidation reaction in the presence of large hydrogen excess (PROX reaction). Mn-, Co-, mixed Mn-Co-oxides and Au-CuO-CeO2 system, with three active components, were examined in details. The interaction of these components, the effect of composition and structure was studied.
It was found, that Au/CuO/SiO2 catalyst is more effective in the PROX reaction than the Au/SiO2 and CuO/SiO2 systems (maximum CO conversion, αCO=60-65%). The CuO/CeO2 system resulted in almost 100% conversion after reductive pre-treatment, but in a narrow temperature window. Introduction of Au nanoparticles weakened its PROX performance.
The non-stoichiometric MnOx, prepared by Mn-oxalate precipitation and temperature programmed oxidation, resulted in 90% CO conversion initially, which decreased due to the irreversible elimination of the lattice oxygen. The Co3O4 prepared by the oxalate method resulted in almost 100% conversion around 180oC, the temperature window broadened (180-250oC) in repeated PROX cycles. In the case of Mn substituted Co3O4, prepared by co-precipitation of Mn and Co-oxalate, 100% CO conversion was obtained in the range of 130-180oC, which narrowed in consecutively repeated reactions. The discussion and interpretation of the observations is given in details in the publications about the results.
Beck A; Horváth A; Stefler G; Scurrell M S; Guczi L: Role of Preparation Techniques in the Activity of Au/TiO2 Nanostructures Stabilised on SiO2: CO and Preferential CO Oxidation, Topics in Catalysis 52: 912-919, 2009
Sárkány S; Schay Z; Frey K; Széles É; Sajó I: Some features of acetylene hydrogenation on Au-iron oxide catalyst, Applied Catalysis A: General 380: 133-141, 2010
Frey K; Iablokov V; Veres M; Sajó I; Geszti O; Guczi L; Kruse N: High catalytic activity in CO oxidation and PROX reactions over MnOx nanocrystals, Proceedings of the 10th Pannon Symposium, 2010
Iablokov V; Frey K; Geszti O; Kruse N: High catalytic acivity in CO oxidation over MnOx nanocrystals, Catalysis Letters 134: 210-216, 2010
Paál Z; Wootsch A; Teschner D; Lázár K; Sajó I; Győrffy N; Weinberg G; Knop-Gericke A; Schlögl R: Structural properties of an unsupported model Pt-Sn catalyst and its catalytic properties in cyclohexene transformation, Applied Catalysis A: General 391: 377-385, 2010
Teschner D; Wootsch A; Paál Z: Preferential CO oxidation in hydrogen (PROX) on unsupported PtSn catalyst, Appl. Cat. A:Gen 411-412: 31-34, 2012
Frey K; Iablokov V; Sáfrán G; Osán J; Sajó I; Szukiewicz R; Chenakin S; Kruse N: Nanostructured MnOx as highly active catalyst for CO oxidation, J. Catalysis 287:30-60, 2012
Frey K; Beck A; Sajó I;, Osán J; Sáfrán G; Veres M; Kruse N; Schay Z: Manganese-promoted cobalt oxide with high catalytic activity in different reactions, Astract #7573, 15th International Congress on Catalysis 2012, München, 2012. 07. 1-6, 2012
