ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΧΗΜΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 Απόδοση σε αιθυλένιο% ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΧΗΜΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΥΝΘΕΣΗ ΜΕΣΟΠΟΡΩΔΩΝ ΚΑΤΑΛΥΤΩΝ ΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΝΙΚΕΛΙΟΥ ΜΕΣΩ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΣΚΛΗΡΟΥ ΕΚΜΑΓΕΙΟΥ ΣΚΟΥΦΑ ΖΗΝΟΒΙΑ, ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ: ΕΠΙΚ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Κ.ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΙΔΗΣ Adsorbed N 2 MCM-41 Ni-nitrate Adsorbed N 2 NiO/MCM P/Po EtOH/ water P/Po NaOH NiO-1 NiO-2 NiO C 2 H 6 -ODH Adsorbed N 2 NiO-1, P/Po ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2013

2

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΧΗΜΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΚΟΥΦΑ ΖΗΝΟΒΙΑ, ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΣΥΝΘΕΣΗ ΜΕΣΟΠΟΡΩΔΩΝ ΚΑΤΑΛΥΤΩΝ ΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΝΙΚΕΛΙΟΥ ΜΕΣΩ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΣΚΛΗΡΟΥ ΕΚΜΑΓΕΙΟΥ εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Γενικής και Ανόργανης Χημικής Τεχνολογίας του Τομέα Χημικής Τεχνολογίας και Βιομηχανικής Χημείας του Τμήματος Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Επίκ. Καθηγητής ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΙΔΗΣ - Επιβλέπων Καθηγητής Επίκ. Καθηγήτρια ΕΛΕΝΗ ΔΕΛΗΓΙΑΝΝΗ-Μέλος εξεταστικής επιτροπής Καθηγήτρια ΑΓΓΕΛΙΚΗ ΛΕΜΟΝΙΔΟΥ- Μέλος εξεταστικής επιτροπής Η τριμελής εξεταστική επιτροπή που ορίστηκε σύμφωνα με τη Γ.Σ.Ε.Σ. 259/ , για τη κρίση της Διπλωματικής Εργασίας της Σκούφα Ζηνοβίας, Χημικού Μηχανικού, συνήλθε σε συνεδρίαση στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης την 09/10/2013, όπου παρακολούθησε την υποστήριξη της εργασίας με τίτλο ΣΥΝΘΕΣΗ ΜΕΣΟΠΟΡΩΔΩΝ ΚΑΤΑΛΥΤΩΝ ΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΝΙΚΕΛΙΟΥ ΜΕΣΩ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΣΚΛΗΡΟΥ ΕΚΜΑΓΕΙΟΥ και την ενέκρινε με βαθμό Δέκα (10).

4

5 Ευχαριστίες Η συγγραφή της Διπλωματικής Εργασίας σηματοδοτεί την επιτυχή ολοκλήρωση των μεταπτυχιακών μου σπουδών στο Τμήμα Χημείας του Αριστοτελείου Πανειστημίου Θεσσαλονίκης. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα της εργασίας μου, Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Χημείας ΑΠΘ Κώστα Τριανταφυλλίδη καταρχήν για την ανάθεση της διπλωματικής εργασίας. Ιδιίατερες ευχαριστίες του οφείλω για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε, την υπομονή και τη στήριξή του κατά τη διάρκεια της εκπόνησής της. Ευχαριστώ την καθηγήτρια του Τμήματος Χημικών Μηχανικών Αγγελική Α. Λεμονίδου για τη πολύτιμη βοήθειά της κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων οξειδωτικής αφυδρογόνωσης και θερμοπρογραμματιζόμενης αναγωγής, που «φιλοξενήθηκαν» στο Εργαστήριο Πετροχημικής Τεχνολογίας του Τμήματος Χημικών Μηχανικών. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Δρ. Χρήστο Νίτσο και τον υποψήφιο διδάκτορα του Εργαστηρίου Γενικής και Ανόργανης Χημικής Τεχνολογίας Δημήτρη Γκιλιόπουλο, που ήταν πάντα πρόθυμοι να με βοηθήσουν στις αμέτρητες απορίες μου, καθώς επίσης και τη Δρ. Σταματία Καρακούλια για τις πολύτιμες συμβουλές της. Τις ευχαριστίες μου θα ήθελα να εκφράσω σε όλο το προσωπικό του Εργαστηρίου Γενικής και Ανόργανης Χημικής Τεχνολογίας του Τμήματος Χημείας για την άψογη συνεργασία κατά τη διάρκεια των μεταπτυχιακών μου σπουδών. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς και τον σύζυγό μου, για την αμέριστη συμπαράσταση και υποστήριξη. i

6

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η σύνθεση πορωδών υλικών μέσω της μεθόδου σκληρού εκμαγείου (Hard Templating method), με τελικό σκοπό την εφαρμογή τους σε καταλυτικές αντιδράσεις αποτελεί ιδιαίτερα ενδιαφέρον και αναπτυσσόμενο ερευνητικό πεδίο. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σύνθεση οξειδίου του νικελίου με μεσοπορώδη δομή μέσω της μεθόδου σκληρού εκμαγείου. Ως εκμαγεία/καλούπια χρησιμοποιήθηκαν δύο δείγματα εμπορικής μεσοπορώδους πυριτίας με διαφορετική δομή, τα MCM-41 και ΚΙΤ-6. Όλα τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν ως προς την ειδική τους επιφάνεια, το πορώδες και τις κρυσταλλικές φάσεις, ενώ οι οξειδοαναγωγικές ιδιότητες των καταλυτών μελετήθηκαν μέσω πειραμάτων θερμοπρογραμματιζόμενης αναγωγής με υδρογόνο. Κατά την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, εξετάστηκε η επίδραση του ποσοστού φόρτισης του εκμαγείου (MCM-41 ή KIT-6) με NiO, καθώς επίσης και η επίδραση της μεθόδου παρασκευής των καταλυτών. Όλοι οι καταλύτες NiO που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο του σκληρού εκμαγείου παρουσιάζουν σημαντικά μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια σε σχέση με το απλό οξείδιο του νικελίου που παρασκευάστηκε μέσω απευθείας πύρωσης του πρόδρομου νιτρικού άλατος. Το γεγονός αυτό καταδεικνύει τη δυνατότητα χρήσης της μεθόδου αυτής για την παρασκευή καταλυτών NiO με σχετικά μεγάλη ειδική επιφάνεια. Τέλος, όλοι οι καταλύτες δοκιμάστηκαν στην αντίδραση οξειδωτικής αφυδρογόνωσης του αιθανίου για την παραγωγή αιθυλενίου, και αποδείχτηκαν ενεργοί σε σχετικά χαμηλές θερμοκασίες ( ο C). Γενικά, όλα τα καταλυτικά υλικά που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο του σκληρού εκμαγείου εμφάνισαν υψηλότερη εκλεκτικότητα προς αιθυλένιο από το απλό οξείδιο του νικελίου. Η μέθοδος εμποτισμού του νικελίου στο μεσοπορώδες καλούπι καθώς και το είδος του εκμαγείου παίζουν καθοριστικό ρόλο στην εκλεκτικότητα των καταλυτών προς αιθυλένιο. Ο καταλύτης NiO/MCM-2-68 με ειδική επιφάνεια 63 m 2 /gr και μέγεθος κρυστάλλων NiO 29 nm, που παρασκευάστηκε με εμποτισμό του MCM-41 με νικέλιο σε υδατικό διάλυμα και σε ποσοστό που αντιστοιχεί σε 68% κ.β. φόρτιση σε NiO, εμφανίζει την υψηλότερη εκλεκτικότητα προς αιθυλένιο ( 50%). iii

8

9 ABSTRACT The use of hard Hard Templating method for the synthesis of materials with the ultimate purpose of their application in catalytic reactions is a significant and growing research field. The purpose of this thesis is the synthesis of nickel oxide samples with mesoporous structure via the hard template method. As templates/ molds, two commercial samples of mesoporous silica with different structure were used, MCM- 41 and KIT -6. All samples were characterized as to their specific surface area, porosity and crystalline phases, while the redox properties of the catalysts were studied by conducting temperature programmed hydrogen reduction experiments. The effect of nickel oxide loading in the silica/nio composite material, as well as the effect of the preparation method of the catalysts were systematically investigated. All NiO catalysts prepared by the Hard Templating method exhibit a considerably greater specific surface area than the conventional nickel oxide sample, prepared via direct cacination of the nitrate salt precursor. This demonstrates the potential in the use of this method for the preparation of NiO catalysts with high specific surface area. Finally, all the catalysts were tested in the ethane oxidative dehydrogenation reaction for the production of ethylene. Generally, all the catalytic materials were prepared by the Hard Templating method exhibited higher ethylene selectivity than the conventional nickel oxide catalyst. The method of NiO impregnation on the silica template and the type of template play a key role in the catalyst selectivity to ethylene. The catalyst NiO/MCM-2-68 with surface area of 68 m 2 /gr and NiO crystal size of 29 nm, which was prepared by impregnation of MCM-41 with an aqueous solution of nickel nitrate at 68 % wt loading in NiO, showed the highest selectivity to ethylene ( 50%). v

10

11 Περιεχόμενα ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... I ΠΕΡΙΛΗΨΗ... III ABSTRACT... V Κατάλογος Εικόνων... 3 Κατάλογος Σχημάτων... 4 Κατάλογος Πινάκων... 5 Κατάλογος Διαγραμμάτων ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μεσοπορώδη υλικά Μέθοδοι σύνθεσης μεσοπορωδών υλικών MCM-41 (Mobil Composition of Matter) Μεσοπορώδης σίλικα, ΚΙΤ Μέθοδος σκληρού εκμαγείου- Hard Templating Method Σύνθεση οξειδίου του νικελίου μέσω της μεθόδου σκληρού εκμαγείου Οξειδωτική αφυδρογόνωση αιθανίου (Oxidative Dehydrogenation of Ethane- ODH) Αιθυλένιο Βιομηχανική παραγωγή αιθυλενίου Εναλλακτική μέθοδος παραγωγής αιθυλενίου- Οξειδωτική αφυδρογόνωση αιθανίου Καταλυτικά συστήματα βασισμένα στο οξείδιο του νικελίου (NiO) για την αντίδραση οξειδωτικής αφυδρογόνωσης αιθανίου Σκοπός της διπλωματικής εργασίας ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Παρασκευή καταλυτών οξειδίου του νικελίου με μεσοπορώδη δομή Παρασκευή καταλύτη NiO

12 2.1.2 Παρασκευή καταλυτών NiO/MCM Παρασκευή καταλυτών ΝiO/KIT Τεχνικές χαρακτηρισμού καταλυτών Εισαγωγή Χημική ανάλυση με Φασματοσκοπία Ατομικής Εκπομπής Επαγωγικά Συζευγμένου Πλάσματος (ICP AES) Μετρήσεις ειδικής επιφάνειας και πορώδους Ποροσιµετρία αζώτου Τεχνική περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) Θερμοπρογραμματιζόμενη αναγωγή με υδρογόνο (TPR-H 2 ) Αξιολόγηση καταλυτών NiO στην αντίδραση οξειδωτικής αφυδρογόνωσης αιθανίου (ODH) Πειράματα αξιολόγησης ενεργότητας καταλύτη Πειράματα αξιολόγησης εκλεκτικότητας προς αιθυλένιο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αποτελέσματα Χαρακτηρισμού Στοιχειακή ανάλυση ICP Πειράματα περίθλασης ακτίνων-χ Πορώδη χαρακτηριστικά Μελέτη αναγωγικών ιδιοτήτων-πειράματα θερμοπρογραμματιζόμενης αναγωγής με υδρογόνο Αξιολόγηση των καταλυτών στην αντίδραση οξειδωτικής αφυδρογόνωσης αιθανίου ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

13 Κατάλογος Εικόνων Εικόνα 1.1: Διατομή ενός πορώδους στερεού σωματιδίου και χαρακτηριστικά είδη πόρων... 9 Εικόνα 1.2: Οι δομές των μεσοπορωδών υλικών M41S. MCM-41 -Εξαγωνική δομή (αριστερά), MCM-48 Κυβική δομή (κέντρο), MCM-50 Φυλλόμορφη δομή (δεξιά) Εικόνα 1.3: Εικόνα ΤΕΜ MCM-41 υλικών με μέγεθος πόρων a) 20, b) 40, c) 65, d) 100 Ǻ Εικόνα 1.4: Απεικονίσεις της τρισδιάστατης δομής των δικτύων στην μεσοπορώδη σίλικα ΚΙΤ-6. Με διαφορετικά χρώματα τα δύο δίκτυα, τα οποία «μπλέκονται» μεταξύ τους Εικόνα 1.5: Σχηματική απεικόνιση της μεθόδου σκληρού εκμαγείου Εικόνα 1.6: Μηχανισμός σχηματισμού διατεταγμένης δομής NiO με τη χρήση ΚΙΤ-6 ως εκμαγείου Εικόνα 2.1: Περιστροφικός εξατμιστής

14 Κατάλογος Σχημάτων Σχήμα 1.1: Αντιπροσωπευτικά πορώδη υλικά με διαφορετικά μεγέθη πόρων, τις αντίστοιχες κατανομές μεγέθους πόρων Σχήμα 1.2: Σχηματισμός μεσοπορώδους δομής μέσω (a) συνεργετικής αυτοσυνάθροισης και (b) εκμαγείου υγρών κρυστάλλων Σχήμα 1.3: Ακτινογράφημα περίθλασης ακτίνων-χ για το υλικό MCM Σχήμα 1.4: Τα σημαντικότερα χημικά προϊόντα που προέρχονται από το αιθυλένιο 26 Σχήμα 1.5: Παραγωγή αιθυλενίου σε περιοχές του κόσμου για το Σχήμα 1.6: Κατανάλωση αιθυλενίου ανά παράγωγο προϊόν στη Δ.Ευρώπη το έτος Σχήμα 1.7. Διάγραμμα ροής της διεργασίας της ατμοπυρόλυσης υδρογονανθρακικών κλασμάτων για παραγωγή αιθυλενίου Σχήμα 1.8. Δίκτυο αντιδράσεων οξειδωτικής αφυδρογόνωσης αιθανίου Σχήμα 2.1: Γενικό σχήμα χαρακτηρισμού καταλυτών Σχήμα 2.2: Γενικό σχήμα τεχνικών χαρακτηρισμού Σχήμα 2.3 Τυπικές µορφές ισοθέρµων προσρόφησης σύµφωνα µε την κατάταξη IUPAC [103] Σχήμα 2.4: Διάφοροι τύποι βρόγχων υστέρησης για μεσοπορώδη υλικά Σχήμα 2.5: Φυσική αναπαράσταση του νόµου του Bragg Σχήμα 2.6: Αντιδραστήρας U σταθερής κλίνης Σχήμα 2.7: Σχεδιάγραμμα πειραματικής μονάδας ταχείας απόκρισης Σχήμα 2.8: Διάταξη μονάδας αξιολόγησης καταλυτικής συμπεριφοράς Σχήμα 2.9: Μικρογραφία αντιδραστήρα ODH Σχήμα 3.1: Ακτινογραφήματα περίθλασης ακτίνων-χ για τα μεσοπορώδη υλικά MCM-41 και ΚΙΤ

15 Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 1.1: Αντιπροσωπευτικά πορώδη υλικά Πίνακας 2.1: Ποσότητες αντιδραστηρίων και παρασκευασμένων καταλυτών NiO/MCM Πίνακας 2.2: Στάδια πειραματικής διαδικασίας για την σύνθεση των καταλυτών NiO/KIT Πίνακας 2.3: Ποσότητες αντιδραστηρίων και παρασκευασμένων καταλυτών NiO/KIT Πίνακας 2.8: Πειραματικές συνθήκες πειραμάτων αξιολόγησης καταλυτών Πίνακας 3.1: Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των καταλυτών Πίνακας 3.2: Πορώδη χαρακτηριστικά καταλυτών και μεσοπορωδών υλικών Πίνακας 3.3: Αποτελέσματα πειραμάτων Η 2 -TPR για τους καταλύτες NiO Πίνακας 3.4: Ενέργεια ενεργοποίησης βασισμένη στο ρυθμό κατανάλωσης αιθανίου για τους καταλύτες NiO

16 Κατάλογος Διαγραμμάτων Διάγραμμα 3.1: Ακτινογραφήματα ακτίνων-χ σε μικρες γωνίες για τα πρόδρομα καταλυτικά υλικά NiO/MCM-2-17-B και NiO/MCM-2-17-B Διάγραμμα 3.2: Ακτινογραφήματα ακτίνων-χ, για όλα τα υλικά πριν την απομάκρυνση της σίλικας (Β) και για τους τελικούς καταλύτες Διάγραμμα 3.3: Ισόθερμες καμπύλες προσρόφησης/εκρόφησης Ν 2 για το μεσοπορώδες MCM-41 (Aldrich) Διάγραμμα 3.4: Ισόθερμες καμπύλες προσρόφησης/εκρόφησης Ν 2 για το μεσοπορώδες KIT-6 (American elements) Διάγραμμα 3.5: Ισόθερμες καμπύλες προσρόφησης/εκρόφησης Ν 2 για τον καταλύτη NiO Διάγραμμα 3.6: Ισόθερμες καμπύλες προσρόφησης/εκρόφησης Ν 2 και κατανομή μεγέθους πόρων για το πρόδρομο υλικό NiO/KIT-1-17-Β Διάγραμμα 3.7: Ισόθερμες καμπύλες προσρόφησης/εκρόφησης Ν 2 και κατανομή πόρων για τον καταλύτη NiO/KIT Διάγραμμα 3.8: Ισόθερμες καμπύλες προσρόφησης/εκρόφησης Ν 2 και κατανομή μεγέθους πόρων για το πρόδρομο υλικό NiO/KIT-1-68-Β Διάγραμμα 3.9: Ισόθερμες καμπύλες προσρόφησης/εκρόφησης Ν 2 και κατανομή πόρων για τον καταλύτη NiO/KIT Διάγραμμα 3.10: Ισόθερμες καμπύλες προσρόφησης/εκρόφησης Ν2 και κατανομή μεγέθους πόρων για το πρόδρομο υλικό NiO/KIT-2-68-Β Διάγραμμα 3.11: Ισόθερμες καμπύλες προσρόφησης/εκρόφησης Ν2 και κατανομή πόρων για τον καταλύτη NiO/KIT Διάγραμμα 3.12: Ισόθερμες καμπύλες προσρόφησης/εκρόφησης Ν 2 και κατανομή μεγέθους πόρων για το πρόδρομο υλικό NiO/MCM-2-68-Β Διάγραμμα 3.13: Ισόθερμες καμπύλες προσρόφησης/εκρόφησης Ν 2 και κατανομή πόρων για τον καταλύτη NiO/MCM Διάγραμμα 3.14: Ισόθερμες καμπύλες προσρόφησης/εκρόφησης Ν 2 και κατανομή μεγέθους πόρων για το πρόδρομο υλικό NiO/MCM-2-17-Β Διάγραμμα 3.15: Ισόθερμες καμπύλες προσρόφησης/εκρόφησης Ν 2 και κατανομή πόρων για τον καταλύτη NiO/MCM Διάγραμμα 3.16: Προφίλ θερμοπρογραμματιζόμενης αναγωγής TPR-H2 για τους καταλύτες NiO Διάγραμμα 3.17: Επίδραση μεγέθους κρυστάλλων NiO στη θερμοκρασία αναγωγής των υλικών

17 Διάγραμμα 3.18: Μετατροπή αιθανίου συναρτήσει της θερμοκρασίας (W/F=0.24g.s.cm -3, 10%C 2 H 6 /5%O 2 /He) Διάγραμμα 3.19: Ρυθμός κατανάλωσης αιθανίου συναρτήσει της θερμοκρασίας (W/F=0.24g.s.cm -3, 10%C 2 H 6 /5%O 2 /He) Διάγραμμα 3.20: Επιφανειακός ρυθμός κατανάλωσης αιθανίου συναρτήσει της θερμοκρασίας (W/F=0.24g.s.cm -3, 10%C 2 H 6 /5%O 2 /He) Διάγραμμα 3.21: Εκλεκτικότητα προς αιθυλένιο συναρτήσει της μετατροπής αιθανίου για τους καταλύτες NiO (Τ= οC, W/F=0.24g.s.cm-3, 10%C2H6/5%O2/He) Διάγραμμα 3.22: Εκλεκτικότητα προς αιθυλένιο συναρτήσει της μετατροπής αιθανίου (T=350 o C, 0.12 W/F 0.64 g.s. cm-3, 10%C 2 H 6 /5%O 2 /He) Διάγραμμα 3.23: Απόδοση σε αιθυλένιο για τους καταλύτες (T=400 C, 10%C 2 H 6 /5%O 2 /He)

18

19 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Μεσοπορώδη υλικά Γενικά, τα πορώδη στερεά χρησιμοποιούνται ως προσροφητικά υλικά, καταλύτες και υποστηρικτικά καταλυτών και φίλτρα σε πληθώρα φυσικών και χημικών διεργασιών. Στις διεργασίες αυτές παίζουν σημαντικό ρόλο όχι μόνο οι χημικές τους ιδιότητες αλλά και η ειδική επιφάνεια, το μέγεθος των πόρων και η γεωμετρία του πορώδους, καθώς τα μεγέθη αυτά ρυθμίζουν τη διάχυση των αντιδρώντων προς τα ενεργά κέντρα του καταλύτη, την προσρόφηση και το διαχωρισμό των μορίων ανάλογα με το μέγεθος και τη γεωμετρία τους. Σύμφωνα με τον ορισμό κατά IUPAC ένα στερεό θεωρείται πορώδες όταν διαθέτει πόρους, δηλαδή κοιλότητες, κανάλια ή διάκενα, τα οποία έχουν μεγαλύτερο βάθος (μήκος) από ότι πλάτος [1]. Στην Εικόνα 1.1, παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά είδη πόρων που μπορεί να εμφανίσει ένα πορώδες υλικό. Εικόνα 1.1: Διατομή ενός πορώδους στερεού σωματιδίου και χαρακτηριστικά είδη πόρων [1] Όπως φαίνεται στην Εικόνα 1.1, οι πόροι ενός στερεού μπορεί να έχουν διαφορετικό σχήμα και μέγεθος και ανάλογα ταξινομούνται σε διάφορες κατηγορίες. Έτσι σε σχέση με την προσβασιμότητα ενός εξωτερικού ρευστού οι πόροι του σχήματος χωρίζονται σε κλειστούς (a), ανοιχτούς από το ένα άκρο (b), (f) που ονομάζονται και τυφλοί (blind pores), ανοιχτούς και από τα δύο άκρα (c), (d), (e). Με βάση το σχήμα τους, διακρίνονται σε κυλινδρικούς (c), (f), με σχήμα μελανοδοχείου (ink-bottle) (b), ή με σχήμα καπνοδόχου (funnel shaped) (d). Τέλος, η ακανόνιστη 9

20 επιφάνεια (g) θεωρείται πορώδης μόνο αν, σύμφωνα με τον παραπάνω ορισμό, το βάθος των ανωμαλιών που εμφανίζει είναι μεγαλύτερο από το πλάτος τους. Το μέγεθος (πλάτος ή διάμετρος) των πόρων είναι μια πολύ σημαντική παράμετρος που χαρακτηρίζει ένα πορώδες υλικό. Σε σχέση με το μέγεθος, ορίζονται κατά IUPAC τρεις κατηγορίες πόρων [2]: Πόροι με διάμετρο μεγαλύτερη των 50 nm (0.5 μm) που ονομάζονται μακροπόροι. Πόροι με διάμετρο μεταξύ 2 nm και 50 nm που ονομάζονται μεσοπόροι. Πόροι με διάμετρο μικρότερη των 2 nm που ονομάζονται μικροπόροι. Αντίστοιχα, τα πορώδη υλικά ανάλογα με το μέγεθος των πόρων τους διακρίνονται αντίστοιχα σε μακροπορώδη, μεσοπορώδη και μικροπορώδη (Σχήμα 1.1) [3]. Κάποια παραδείγματα αυτών των πορωδών υλικών παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.1 [4]. Σχήμα 1.1: Αντιπροσωπευτικά πορώδη υλικά με διαφορετικά μεγέθη πόρων, τις αντίστοιχες κατανομές μεγέθους πόρων [3] 10

21 Πίνακας 1.1: Αντιπροσωπευτικά πορώδη υλικά Ορισμός Περιοχές μεγέθους πόρων Παραδείγματα Μακροπορώδη >50 nm πορώδεις ύαλοι >50 nm Περιοχές μεγέθους πόρων Μεσοπορώδη Μικροπορώδη 2-50nm <2nm Αεροζέλ Φυλλόμορφοι άργιλοι Μ41S Ζεόλιθοι Ενεργός άνθρακας >10 nm 1nm, 10nm nm <1.42 mn 0.6 nm Στην πρώτη κατηγορία υλικών ανήκουν οι ζεόλιθοι, ο οποίοι είναι κρυσταλλικά Οι ζεόλιθοι είναι κρυσταλλικά αργιλοπυριτικά υλικά με καλά οργανωμένο σύστημα πόρων και κοιλοτήτων στις διαστάσεις των μικροπόρων (~3-8 Å) και με αξιόλογη κατιονανταλλακτική ικανότητα [5, 6]. Οι διαστάσεις αυτές τους προσδίδουν την ικανότητα του μοριακού κόσκινου (molecular sieve). Η εκλεκτικότητα, η ιονανταλλακτική ικανότητα και οι όξινες ιδιότητες, τους έχουν καταστήσει ως τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα ροφητικά, ιονανταλλακτικά και καταλυτικά υλικά στον κόσμο [7, 8]. Η καταλυτική πυρόλυση του πετρελαίου σε αντιδραστήρες ρευστοστερεάς κλίνης (fluidized catalytic cracking, FCC) για την παραγωγή βενζίνης, που είναι μια από τις σημαντικότερες διεργασίες σε ένα διυλιστήριο, χρησιμοποιεί ζεόλιθους ως καταλύτες [9, 10]. Παρά τις σημαντικές τους ιδιότητες και τη σχετικά υψηλή υδροθερμική σταθερότητα, οι εφαρμογές των ζεολίθων σε καταλυτικές ή ροφητικές διεργασίες περιορίζονται από το σχετικά μικρό μέγεθος των πόρων τους. Για το λόγο αυτό αναζητήθηκαν πορώδη υλικά με παρόμοιες ιδιότητες, αλλά μεγαλύτερο μέγεθος πόρων, που θα είχαν τη δυνατότητα είτε να διαχωρίσουν υλικά μεγαλύτερου μεγέθους, είτε να χρησιμοποιηθούν ως καταλύτες για τη μετατροπή ογκωδών μορίων, όπως για παράδειγμα η πυρόλυση βαρέων κλασμάτων πετρελαίου προς βενζίνη. Η δεύτερη κατηγορία αφορά πορώδη υλικά όπως τα αργιλοφωσφορικά, την αλουμίνα, την πυριτία, τους φυλλόμορφους αργίλους καθώς και τα μεσοπορώδη υλικά συντιθέμενα μέσω αυτοοργάνωσης συστημάτων. Στα μακροπορώδη υλικά ανήκουν οι πορώδεις ύαλοι [4]. Τα υλικά αυτά είναι άμορφα ενώ χαρακτηρίζονται από σημαντικά ανομοιόμορφη κατανομή πόρων και συνεπώς δεν έχουν βρει χρήσεις ανάλογες με αυτές των ζεολίθων και τον μεοσοπορωδών υλικών. Έχει μελετηθεί η δυνατότητα εφαρμογής των μακροπορωδών υλικών ως καταλυτικά υποστρώματα [11], υλικά διαχωρισμού [12], και θερμομονωτικά υλικά [13]. 11

22 Στο παρελθόν έγιναν πολυάριθμες προσπάθειες για να επεκταθούν οι υδροθερμικές διεργασίες σύνθεσης που χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση των μικροπορωδών ζεολίθων και στην μεσοπορώδη κλίμακα, αλλά η επιτυχία τους ήταν περιορισμένη [14]. Επιπλέον προσπάθειες για την επίτευξη μεσοπορωδών υλικών με στενή κατανομή μεγέθους πόρων βασίστηκε στον έλεγχο του μεγέθους των πόρων της άμορφης αργιλλο-πυριτίας, κατά τη σύνθεσή της παρουσία αλκυλο- τριμεθυλοαμμωνιακών κατιόντων [15, 16]. Η σύνθεση μη διατεταγμένης μεσοπορώδους αργιλλο-πυριτίας παρουσίασε αρκετά κανονική κατανομή μεγέθους των πόρων και μεγάλο εμβαδόν επιφάνειας. Άλλα διατεταγμένα μη κρυσταλλικά μεσοπορώδη οξείδια συντέθηκαν με παρεμβολή υποστυλωμένων φυλλόμορφων υλικών (pillared layered materials) όπως τα διπλά υδροξείδια, τα φωσφορικά άλατα του τιτανίου και του ζιρκονίου ή άργιλοι. Ωστόσο, αυτά παρουσίαζαν ευρεία κατανομή μεσοπόρων και επιπλέον εμφάνιζαν μικροπορώδες [4, 14]. Μια από τις πρώτες οικογένειες υλικών που χρησιμοποιήθηκαν για το σκοπό αυτό ήταν οι υποστηλωμένοι μεσοπορώδεις άργιλοι. Αυτοί μπορούν να παρασκευαστούν από φυσικούς αργίλους με διάφορους τρόπους, όπως είναι η απευθείας παρεμβολή αιωρημάτων μεταλλικών οξειδίων (DIMOS), η τροποποίηση των αργίλων με παρεμβολή οργανικών αμινών, η χρήση διφωσφονικών οξέων. Παρά το γεγονός ότι τα υλικά αυτά διαθέτουν μεσοπόρους, έχουν τα βασικά μειονεκτήματα του μεγάλου εύρους κατανομής μεγέθους πόρων, του ακανόνιστου του πορώδους δικτύου και του σχήματος των πόρων που εμποδίζει τη μεταφορά αντιδρώντων και προϊόντων από και προς το εσωτερικό με αποτέλεσμα το σχηματισμό στρώματος κωκ κατά τις καταλυτικές διεργασίες. Τα μειονεκτήματα αυτά οδήγησαν τους ερευνητές στην αναζήτηση νέων υλικών με βελτιωμένες ιδιότητες. Μέχρι το 1992 η προσπάθεια ανάπτυξης υλικών με οργανωμένη μεσοπορώδη δομή ήταν ανεπιτυχής. Το 1992 οι ερευνητές της Mobil Oil Research and Development ανέφεραν την πρώτη επιτυχημένη σύνθεση νέων περιοδικών μεσοδομικών υλικών, τα οποία ονόμασαν M41S [17, 18]. Ένα από τα υλικά είχε το όνομα MCM-41 (Mobil Composition of Matter), από όπου προκύπτουν και οι ονομασίες των τριών διαφορετικών κατηγοριών υλικών των MCM-41, MCM-48, MCM-50. Πρόκειται για πυριτικά και αργιλοπυριτικά υλικά με ομοιόμορφα διευθετημένο πορώδες και μέγεθος πόρων που μπορεί να ελεγχθεί [19]. 12

23 Εικόνα 1.2: Οι δομές των μεσοπορωδών υλικών M41S. MCM-41 -Εξαγωνική δομή (αριστερά), MCM-48 Κυβική δομή (κέντρο), MCM-50 Φυλλόμορφη δομή (δεξιά) [19] Μέθοδοι σύνθεσης μεσοπορωδών υλικών Η προσπάθεια κατανόησης του μηχανισμού σχηματισμού των οργανωμένων μεσοπορωδών υλικών συνεχίζεται από το 1992 μέχρι σήμερα [20, 21]. Η σύνθεση μεσοπορωδών υλικών μπορεί να λάβει χώρα μέσω δύο οδών: μέσω της χρήσης επιφανειοδραστικών ενώσεων (soft-matter templating, endotemplate methods και μέσω της χρήσης σκληρού εκμαγείου (nanocasting, hard templating, exotemplate method) [22]. Οι κυριότεροι μηχανισμοί σχηματισμού των μεσοπορωδών υλικών είναι δύο (Σχήμα 1.11) [14, 23, 24]: Ο μηχανισμός συνεργετικής αυτοσυνάθροισης (cooperative self-assembly), σύμφωνα με τον οποίο λαμβάνουν χώρα αλληλεπιδράσεις μεταξύ πυριτικών μορίων και επιφανειοδραστικών ενώσεων για το σχηματισμό μιας ανόργανης οργανικής μεσοδομής. Οι δεσμοί που σχηματίζονται ανάμεσα στην ανόργανη φάση και την επιφανειοδραστική ένωση είναι ασθενείς, μη ομοιοπολικοί δεσμοί, όπως δεσμοί υδρογόνου, δυνάμεις van der Waals, ηλεκτροστατικές δυνάμεις Coulomb κ.α. Στον πίνακα 1.1 παρατίθενται οι βασικές πορείες σύνθεσης, οι αντίστοιχες επιφανειοδραστικές ενώσεις και τα κλασικά προϊόντα. Ο μηχανισμός εκμαγείου υγρών κρυστάλλων (Liquid Crystal Templating, LCT), σύμφωνα με τον οποίο οι σχηματιζόμενοι υγροί κρύσταλλοι των επιφανειοδραστικών μορίων λειτουργούν ως εκμαγείο γύρω από το οποίο 13

24 συμβαίνουν οι αντιδράσεις υδρόλυσης και συμπύκνωσης των πρόδρομων πυριτικών ενώσεων. Ο LCT μηχανισμός στηρίζεται στην ιδιότητα των επιφανειοδραστικών ενώσεων να σχηματίζουν μικκύλια σε διάλυμα και εξαρτάται από την συγκέντρωσή τους στο διάλυμα σύνθεσης. Σχήμα 1.2: Σχηματισμός μεσοπορώδους δομής μέσω (a) συνεργετικής αυτοσυνάθροισης και (b) εκμαγείου υγρών κρυστάλλων [22] Τα μεσοπορώδη πυριτικά υλικά σχηματίζονται κάτω από υδροθερμικές συνθήκες. Η διαδικασία sol-gel είναι πολύ δημοφιλής και αξιόπιστη μεθοδολογία για τη σύνθεση υλικών, ειδικά των μεταλλικών οξειδίων με ομοιόμορφα μικρά μεγέθη σωματιδίων και ποικίλες μορφολογίες [25-30]. Μερικά από τα πλεονεκτήματά της είναι η απλότητά της και το γεγονός ότι αποτελεί ένα οικονομικό και αποτελεσματικό μέσο παραγωγής υψηλής ποιότητας υλικών. Η διαδικασία sol-gel έχει βρει εφαρμογή στην παραγωγή υψηλής ποιότητας υάλων για οπτικές ίνες, λεπτά επικαλυπτικά στρώματα και λεπτές σκόνες οξειδίων [31-33]. Η μέθοδος περιλαμβάνει την μετάβαση ενός συστήματος από μια υγρή φάση sol σε μια στερεή φάση gel. Η διαδικασία sol-gel μπορεί να χωριστεί στα ακόλουθα στάδια : Την υδρόλυση και τη συμπύκνωση των προδρόμων ενώσεων και το σχηματισμό κολλοειδούς διασποράς (sol) Το σχηματισμό πηκτώματος (gel) Την υδροθερμική γήρανση Τη ξήρανση 14

25 Αρχικά, σχηματίζεται ένα ομογενές διάλυμα με διάλυση της επιφανειοδραστικής ένωσης σε έναν διαλύτη, συνήθως νερό. Στη συνέχεια, προστίθενται οι πυριτικές πρόδρομες ενώσεις στο διάλυμα, όπου υφίστανται υδρόλυση και μετασχηματίζονται σε μία φάση sol από πυριτικά ολιγομερή. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των ολιγομερών και των μικκυλίων των επιφανειοδραστικών ενώσεων οδηγεί στο σχηματισμό του gel. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου λαμβάνει χώρα διαχωρισμός των μικροφάσεων και συνεχής συμπύκνωση των πυριτικών ολιγομερών. Ο σχηματισμός των μεσοπορωδών υλικών είναι πολύ γρήγορος, μόνο 3 5 λεπτά σε διαλύματα κατιονικών τασιενεργών ενώσεων. Στην περίπτωση των μη ιονικών τασιενεργών ενώσεων, ο σχηματισμός είναι πιο αργός, συνήθως 30 λεπτά ή και περισσότερο. Στη συνέχεια, λαμβάνει χώρα υδροθερμική επεξεργασία, η οποία επιφέρει την πλήρη συμπύκνωση και στερεοποίηση και τη βελτίωση της οργάνωσης. Το προκύπτον προϊόν διηθείται, πλένεται και ξηραίνεται. Το μεσοπορώδες υλικό λαμβάνεται μετά την απομάκρυνση του οργανικού εκμαγείου με καύση ή εκχύλιση με κατάλληλους διαλύτες MCM-41 (Mobil Composition of Matter) Το MCM-41 είναι ένα από τα πιο ευρέως μελετημένο μεταξύ των μεσοπορωδών υλικών που έχουν αναφερθεί. Αυτό οφείλεται στην δομική του απλότητα και στην ευκολία παρασκευής της δομής που δεν εμφανίζει δικτύωση ή φράξιμο των πόρων. Το MCM-41 θεωρείται ως ποιό κατάλληλο μοντέλο μεσοπορώδους προσροφητικού για τη μελέτη μερικών από τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά των πορωδών υλικών, όπως η επίδραση του μεγέθους και της δομής των πόρων, της υστέρησης κατά την εκρόφηση, εξαιτίας της σχετικά μεγάλης ομοιομορφίας των κυλινδρικών πόρων του με εξαγωνική τακτοποίηση [19]. Το πιο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό του υλικού MCM-41 είναι η εξαγωνική διάταξη ομοιόμορφων σωληνωτών μεσοπόρων. Οι κυριότερες ιδιότητες των MCM-41 υλικών είναι οι εξής: Έχουν μεγάλο εμβαδό επιφάνειας (~ m 2 /g). Παρουσιάζουν αμελητέα δικτύωση των πόρων ή φαινόμενα φραξίματος. Υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης των διαστάσεων των πόρων στην περιοχή των nm μεταβάλλοντας τις συνθήκες σύνθεσης, ενώ εμφανίζουν εξαιρετικές ροφητικές ικανότητες ως αποτέλεσμα του μεγάλου όγκου των πόρων τους (> 0.6 cm 3 /g). 15

26 Το MCM-41 χάνει τη μεσοπορώδη δομή του κατά την έκθεσή του στον αέρα και στο O 2 σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 900 o C. Ωστόσο παραμένει σταθερό σε θερμοκρασίες μέχρι και 1010 ο C κατά την κατεργασία του σε περιβάλλον N 2, NH 3, Ar. [34]. Δεν είναι υδροθερμικά σταθερά υλικά παρουσία απιονισμένου νερού [35], ενώ είναι σταθερά σε υδροθερμικές κατεργασίες παρουσία ατμού [36, 37]. Έτσι ενώ παρουσία απιονισμένου νερού η δομή του MCM-41 καταστρέφεται γύρω στους 100 0C, στην περίπτωση των υδρατμών η δομή είναι σταθερή ακόμη και στους 900 0C. Η καταστροφή της δομής οφείλεται πιθανότατα στην υδρόλυση των δεσμών Si-O-Si που βρίσκονται στο MCM-41. _ Είναι πολύ ευαίσθητα υλικά στην υγρασία. Έτσι σε MCM-41 που αφέθηκε σε περιβάλλον όπου υπήρχε 60% υγρασία για τρεις μήνες, πραγματοποιήθηκε XRD και βρέθηκε ότι οι χαρακτηριστικές κορυφές του MCM-41 είχαν χαθεί γεγονός που υποδηλώνει την πλήρη απώλεια της δομής του [38]. Είναι δυνατόν να αποκτήσουν μεγαλύτερη σταθερότητα στην υγρασία και στο νερό γενικότερα με πραγματοποίηση επικάλυψης των πόρων με υδρόφοβο στρώμα. Έχει μικρή μηχανική αντοχή. Η διατεταγμένη δομή του MCM-41 αλλάζει δραστικά με την άσκηση εξωτερικής πίεσης 86 MPa, ενώ καταστρέφεται ολοσχερώς με την άσκηση 224 MPa. Η απώλεια της δομής οφείλεται σε μηχανοχημική υδρόλυση των δεσμών Si-O-Si [39]. Το MCM-41 έχει και υδρόφοβες και υδρόφιλες ιδιότητες [40]. Έχει ασθενείς προς μέτριας έντασης όξινες περιοχές [41]. Παρουσιάζει υψηλή αντοχή σε κατεργασία με οξέα. Έχει μικρή ανεκτικότητα στις βάσεις. Η βασική μέθοδος που χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό του MCM-41 είναι η περίθλαση ακτίνων Χ. Το διάγραμμα που λαμβάνεται συνήθως παρουσιάζεται στο σχήμα που ακολουθεί. 16

27 Σχήμα 1.3: Ακτινογράφημα περίθλασης ακτίνων-χ για το υλικό MCM-41 [17] Στο παραπάνω διάγραμμα παρατηρούνται τέσσερις κορυφές που οφείλονται σε ανακλάσεις κατά Bragg, στην περιοχή από 2 ο < 2θ< 9 ο με δείκτες (100), (110), (200), (210). Οι κορυφές αυτές παραπέμπουν σε εξαγωνικό πλέγμα που είναι τυπικό για τα υλικά MCM-41. Όπως φαίνεται και από το διάγραμμα οι κορυφές είναι οξείες, γεγονός που υποδηλώνει καλή οργάνωση του υλικού. Το μέγεθος των πόρων εξαρτάται από το μήκος της αλυσίδας του επιφανειοδραστικού μορίου και γενικότερα από τον τρόπο παρασκευής του δείγματος. Συνήθως μετά την απομάκρυνση των επιφανειοδραστικών μορίων παρατηρείται μικρή αύξηση της έντασης της κορυφής (100). Το γεγονός αυτό υποδηλώνει ότι μετά τη απομάκρυνση του επιφανειοδραστικού μορίου η δομή του υλικού που λαμβάνεται είναι ακόμα πιο καλά οργανωμένη. Η έλλειψη επιπλέον ανακλάσεων οφειλόμενων σε πλεγματικά επίπεδα ανώτερης τάξης οφείλεται στο γεγονός ότι η διάταξη των πόρων στο στερεό αποκλίνει ελαφρώς της εξαγωνικής δομής. Όταν η απόκλιση γίνεται εντονότερη το εύρος των κορυφών αυξάνει και τελικά παρατηρούνται μόνο ανακλάσεις από τα πλεγματικά επίπεδα (100). Μια άλλη μέθοδος που χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό είναι και η ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης, TEM (Transmission Electron Microscopy). Μια χαρακτηριστική εικόνα που λαμβάνεται είναι αυτά που παρουσιάζεται στην Εικόνα 1.3, όπου εμφανίζονται κανονικές αμετάβλητες εξαγωνικές διατάξεις καναλιών που είναι χαρακτηριστικές για τα υλικά MCM

28 Εικόνα 1.3: Εικόνα ΤΕΜ MCM-41 υλικών με μέγεθος πόρων a) 20, b) 40, c) 65, d) 100 Ǻ [17] Γενικά, σε μια τυπική σύνθεση του υλικού MCM-41 απαιτείται η χρήση μιας επιφανειοδραστικής ένωσης, ενός διαλύτη, ενός καταλύτη (οξύ ή βάση) και μιας πηγής πυριτίου. Η επιφανειοδραστική ένωση που χρησιμοποιείται για την σύνθεση αυτών των υλικών είναι του γενικού τύπου C n2n+1 (CH 3 ) 3 N + X - όπου n= 8,9,10,12,14,16 και Χ = Cl,Br ή OH. Η πηγή του πυριτίου μπορεί να είναι μοριακή (αλκοξείδιο του πυριτίου), ή μη μοριακή (διοξείδιο του πυριτίου ή πυριτικό άλας του νατρίου). Πρώτοι, οι ερευνητές της εταιρίας Mobil, πρότειναν ως μηχανισμό σχηματισμού των υλικών MCM-41 το μηχανισμό εκμαγείου υγρών κρυστάλλων (Liquid Crystal Templating, LCT) Μεσοπορώδης σίλικα, ΚΙΤ-6 Η μεσοπορώδης σίλικα με την ονομασία ΚΙΤ-6 ανήκει στην κατηγορία των μεσοπορωδών υλικών που έχουν κυβική δομή, και πιο συγκεκριμένα την τρισδιάστατη (3D) κυβική δομή Ia3d [42, 43]. Η δομή αυτή είναι συμμετρική και την αποτελεί ένα πολύπλοκο δίκτυο καναλιών, που διεισδύουν το ένα στο άλλο και σχηματίζουν δι-συνεχή δίκτυα, τα οποία φαίνονται στην Εικόνα 1.4. Η μεσοπορώδης σίλικα KIT-6 εμφανίζει ηλεκτρική ουδετερότητα, και επομένως χαρακτηρίζεται από την απουσία Bronsted και Lewis όξινων θέσεων. Επίσης δεν παρουσιάζει απόφραξη πόρων λόγω της μοναδικής 3D δικτύωσής [44]. 18

29 Εικόνα 1.4: Απεικονίσεις της τρισδιάστατης δομής των δικτύων στην μεσοπορώδη σίλικα ΚΙΤ-6. Με διαφορετικά χρώματα τα δύο δίκτυα, τα οποία «μπλέκονται» μεταξύ τους [45] Η μεσοπορώδης σίλικα KIT-6 έχει πόρους με μεγάλου πάχους τοιχώματα, υψηλή υδροθερμική σταθερότητα, μεγάλη ειδική επιφάνεια και μεγάλο όγκο πόρων. Μέχρι σήμερα, τα υλικά KIT-6 αναμένεται να είναι «ανώτερα» από μεσοπορώδη υλικά που εμφανίζουν διάταξη πόρων σε μία ή δύο διαστάσεις, λόγω της καλύτερης διασποράς του καταλύτη και της ταχύτερης διάχυσης των αντιδρώντων και των προϊόντων κατά τη διάρκεια αντίδρασης, που οφείλεται στην τρισδιάστατη δομή [46-49]. To KIT-6 έχει επιτυχώς χρησιμοποιηθεί πρόσφατα ως καλούπι για τη σύνθεση οξειδίων μετάλλων μέσω της μεθόδου σκληρού εκμαγείου [50-54]. 19

30 1.2 Μέθοδος σκληρού εκμαγείου- Hard Templating Method Από την πρώτη επιτυχημένη σύνθεση του μεσοπορώδους MCM-41 από τους επιστήμονες της Mobil το 1992 [18], έχουν συντεθεί πλήθος μεσοπορωδών υλικών με διάφορες μεθόδους. Γενικά, οι μέθοδοι αυτές μπορούν να διαχωριστούν σε μεθόδους που χρησιμοποιείται κάποιο επιφανειοδραστικό μέσο, ή αλλιώς soft template, και στις μεθόδους κατά τις οποίες η σύνθεση των τελικών υλικών γίνεται μέσω της χρήσης σκληρών εκμαγείων (hard templates). Η πρώτη μέθοδος εφαρμόζεται κυρίως για τη σύνθεση πυριτικών μεσοπορωδών υλικών ενώ η δεύτερη μέθοδος προτιμάται για τη σύνθεση μη-πυριτικών υλικών [55]. Η μέθοδος αυτή συνιστά την διαδικασία όπου ένα μεσοπορώδες στερεό (συχνά μία μεσοπορώδης σίλικα) χρησιμοποιείται ως πρότυπο εντός του οποίου θα αναπτυχθεί ένα άλλο στερεό (π.χ. ένα οξείδιο μετάλλου μεταπτώσεως), ώστε να έχει την διατεταγμένη δομή πόρων και τα κρυσταλλικά τοιχώματα των μεσοπορώδων υλικών. Στην Εικόνα 1.5 παρουσιάζεται μια γενική σχηματική απεικόνιση της μεθόδου. Το βασικό ζητούμενο της εν λόγω διαδικασίας, είναι η επιτυχής πλήρης πλήρωση των μεσοπόρων του σκληρού καλουπιού από το διάλυμα της πρόδρομης ένωσης [51]. Εικόνα 1.5: Σχηματική απεικόνιση της μεθόδου σκληρού εκμαγείου [56] Από τις αρχές της δεκαετίας του 2000 η μέθοδος Hard Templating χρησιμοποιείται για την παρασκευή μεσοπορωδών ανθράκων διατεταγμένης δομής [57-61] και άλλων υλικών [51, 56, 62-66]. Κατά την τυπική διαδικασία της μεθόδου αυτής, ένα μεσοπορώδες διοξειδίου του πυριτίου χρησιμοποιείται ως «σκληρό» καλούπι, όπου εισάγεται το διάλυμα της πρόδρομης ένωσης, και ακολουθεί θέρμανση ώστε να σχηματιστεί η επιθυμητή φάση. Έπειτα η σίλικα-καλούπι διαλύεται, 20

31 αφήνοντας ένα «αντίγραφο» μεσοπορώδους δομής της πρόδρομης ένωσης, στην οποία «φιλοξενήθηκε». Η απομάκρυνση της σίλικας γίνεται με πλύσεις βασικού διαλύματος [62, 67]. Θα πρέπει να υπάρχει ιδιαίτερη προσοχή, ώστε τα υλικά που θα προκύψουν να είναι σταθερά παρουσία βασικού διαλύματος, συνήθως NaOH και HF, καθώς επίσης και η πρόδρομη ένωση να μην αντιδρά με το οξείδιο του πυριτίου σε υψηλές θερμοκρασίες [67]. Η μέθοδος σκληρού εκμαγείου παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα. Οι μεσοδομές των επιθυμητών υλικών μπορούν να ελεγχθούν επιλέγοντας εκμαγεία με την κατάλληλη δομή. Επιπρόσθετα, είναι δυνατή η παρασκευή μεσοπορωδών οξειδίων μετάλλων με κρυσταλλικά τοιχώματα, αφού οι μεσοπορώδεις πυριτίες που χρησιμοποιούνται ως καλούπια είναι ανθεκτικές σε υψηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται για την κρυστάλλωση των τελικών οξειδίων. Έτσι, η μέθοδος αυτή έχει «ανοίξει» τον δρόμο για την παρασκευή μεσοπορωδών οξειδίων μετάλλων μεταπτώσεως με διατεταγμένη δομή τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ενεργειακές εφαρμογές, στην κατάλυση, ως ανιχνευτές, για διεργασίες διαχωρισμού κ.α. [68]. Συγκεκριμένα όσο αφορά τις καταλυτικές εφαρμογές, τα μεσοπορώδη οξείδια μετάλλων με διατεταγμένη δομή πόρων έχουν μελετηθεί ως καταλύτες σε αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, όπως η οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα [69, 70], αντιδράσεις οξείδωσης αλκανίων [71, 72], η οξείδωση-διάσπαση της μεθανόλης κ.α., αντιδράσεις όξινης κατάλυσης και φωτοκαταλυτικές αντιδράσεις [68]. Από την άλλη, η μέθοδος σκληρού εκμαγείου εμφανίζει και κάποιους περιορισμούς όσο αφορά τα μεσοπορώδη υλικά που θα χρησιμοποιηθούν ως καλούπια (template). Ένας περιορισμός είναι το μέγεθος των πόρων που μπορεί να προκύψει για τα μεσοπορώδη στερεά με μια διατεταγμένη δομή πόρων και με κρυσταλλικά τοιχώματα. Για παράδειγμα έχουν χρησιμοποιηθεί σαν «σκληρά» καλούπια, για την παραγωγή ανόργανων πορώδων στερεών, πηκτώματα διοξειδίου του πυριτίου ή αεροζέλ άνθρακα με το μέγεθος των πόρων να φθάνει έως 18 nm, αλλά οι πόροι δεν ήταν καλά διατεταγμένοι. Για την παραγωγή μεσοπορωδών οξειδίων που θα εμφανίζουν κρυσταλλικά τοιχώματα και την διάταξη πόρων μιας μεσοπορώδους σίλικας, χρησιμοποιούνται ως «σκληρά» καλούπια υλικά όπως τα SBA-15, SBA-16 και KIT-6. Όμως αυτή η διαδικασία περιορίζει το μέγεθος των πόρων σε λιγότερο από 7 nm. Οι προσπάθειες έχουν επικεντρωθεί στην σύνθεση καλουπιών που έχουν μεγάλο πάχος τοιχωμάτων (τα τοιχώματα του καλουπιού 21

32 καθορίζουν τους πόρους του επιθυμητού υλικού), οι οποίες όμως εμφανίζουν μεγάλο βαθμό δυσκολίας [51]. Η εισαγωγή της πρόδρομης ένωσης του επιθυμητού υλικού μέσα στο σύστημα πόρων του καλουπιού, μπορεί να γίνει μέσω των παρακάτω οδών [68]: - Μέθοδος δύο διαλυτών ( two-solvent method): κατά τη μέθοδο αυτή, αιώρημα του μεσοπορώδους εκμαγείου σε κ-εξάνιο αναμιγνύεται με υδατικό διάλυμα του νιτρικού άλατος του μετάλλου. Γενικά, ο όγκος του διαλύματος ισούται με τον όγκο της μεσοπορώδους σίλικας, ώστε να αποφευχθεί κατά το δυνατόν η ανάπτυξη κρυστάλλων εκτός του δικτύου των πόρων. Η παρουσία του εξανίου, ευνοεί την είσοδο των ιόντων της πρόδρομης ένωσης του μετάλλου στους πόρους του μεσοπορώδους καλουπιού. - Μέθοδος εξάτμισης (solvent evaporation method): Η μέθοδος αυτή περιλαμβάνει πλήρη ανάμιξη της μεσοπορώδους σίλικας σε διάλυμα αιθανόλης του νιτρικού άλατος του επιθυμητού μετάλλου. Η νιτρική πρόδρομη ένωση του μετάλλου αναμένεται να εισαχθεί στο σύστημα πόρων του εκμαγείου μέσω τριχοειδούς συμπύκνωσης κατά τη διάρκεια αργής εξάτμισης της αιθανόλης. - Μέθοδος στερεού-υγρού (solid-liquid method): Σε αυτή την περίπτωση το νιτρικό άλας του επιθυμητού μετάλλου αναμιγνύεται σε στερεά μορφή με τη μεσοπορώδη σίλικα που θα χρησιμοποιηθεί ως καλούπι. Στη συνέχεια, το μίγμα θερμαίνεται σε κατάλληλη θερμοκρασία ώστε να τηχθεί το πρόδρομο άλας και να επιτευχθεί η εισαγωγή της πρόδρομης ένωσης στο εσωτερικό των πόρων του εκμαγείου. Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται μόνο σε πρόδρομες ενώσεις των οποίων το σημείο τήξης είναι χαμηλότερο από τη θερμοκρασία διάσπασης/αποσύνθεσης. - Μέθοδος εμποτισμού-καταβύθισης-πύρωσης: Στη μέθοδο αυτή χρησιμοποιούνται ως πρόδρομες ενώσεις των επιθυμητών μετάλλων χρησιμοποιούνται χλωρίδια, τα οποία στο πρώτο στάδιο εμποτίζονται στη μεσοπορώδη σίλικα. Σε ένα δεύτερο στάδιο, εισάγεται αμμωνία (NH 3 ) σε υγρή ή αέρια μορφή ώστε να μετασχηματιστούν τα χλωρίδια σε υδροξείδια και τελικά το τρίτο στάδιο περιλαμβάνει πύρωση για τον σχηματισμού του επιθυμητού οξειδίου. 22

33 Ως εκμαγεία έχουν χρησιμοποιηθεί μεσοπορώδεις πυριτίες με διαφορετική δομή συστήματος πόρων, όπως για παράδειγμα MCM-41, MCM-48, SBA-15, SBA16, KIT-6, FDU-12, ή μεσοπορώδεις άνθρακες όπως CMK-1, CMK-3 [68] Σύνθεση οξειδίου του νικελίου μέσω της μεθόδου σκληρού εκμαγείου Στη βιβλιογραφία αναφέρονται αρκετές μελέτες που αφορούν τη σύνθεση οξειδίου του νικελίου μέσω της μεθόδου σκληρού εκμαγείου. Ενδεικτικά, o Fuertes [73] αναφέρει την επιτυχημένη σύνθεση NiO μεγάλης ειδικής επιφάνειας (96m 2 /gr) με της χρήση πυριτικής ξηρογέλης (silica xerogel), οι Wang και Xia [74] τη σύνθεση οξειδίου του νικελίου με διατεταγμένη δομή πόρων μέσω της χρήσης του μεσοπορώδους υλικού SBA-15 για χρήση σε ηλεκτροχημικές εφαρμογές. Το ίδιο μεσοπορώδες υλικό χρησιμοποιήθηκε ως καλούπι για τη σύνθεση NiO από τους Guo Εικόνα 1.6: Μηχανισμός σχηματισμού διατεταγμένης δομής NiO με τη χρήση ΚΙΤ-6 ως εκμαγείου [51] και Kim [63], με ειδική επιφάνεια 294 m 2 /gr. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η χρήση του KIT-6 για τη σύνθεση οξειδίου του νικελίου ως καταλύτη για την αντίδραση οξείδωσης του μονοξειδίου του άνθρακα [75]. Στη μελέτη αυτή το οξείδιο του νικελίου που συντέθηκε μέσω της μεθόδου σκληρού εκμαγείου (ΚΙΤ-6) εμφάνισε σημαντικά μεγαλύτερη ενεργότητα στην εν λόγω αντίδραση, γεγονός που αποδόθηκε όχι μόνο στην μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια, αλλά και στη διατεταγμένη μεσοδομή. Επιπρόσθετα, οι Bruce et al. [51] συνέθεσαν οξείδιο του νικελίου το οποίο αποδεδειγμένα έχει την αντίστροφη δομή του εκμαγείου KIT-6. Συγκεκριμένα, μέσω της χρήσης κ-εξανίου και αιθανόλης κατά το στάδιο του εμποτισμού της πρόδρομης ένωσης μητρικού νικελίου στη μεσοπορώδη σίλικα, έγινε δυνατή η εισαγωγή του νιτρικού άλατος στο σύστημα πόρων του KIT-6. Έτσι, το τελικό υλικό 23

34 εμφάνισε διπλή κατανομή μεγέθους πόρων, που αντιστοιχεί στα δύο είδη πόρων του ΚΙΤ-6, μικρού και μεγάλου μεγέθους [51], όπως φαίνεται στην Εικόνα

35 1.3 Οξειδωτική αφυδρογόνωση αιθανίου (Oxidative Dehydrogenation of Ethane- ODH) Αιθυλένιο Το αιθυλένιο (Η 2 C=CH 2 ) αποτελεί το βασικότερο πετροχημικό προϊόν στη χημική βιομηχανία. Η δραστικότητά του οφείλεται στον διπλό δεσμό ανάμεσα στους δύο άνθρακες, στη μοριακή του δομή και στην αυξημένη ηλεκτρονική πυκνότητα του δεσμού. Εξαιτίας αυτής της ιδιότητας, το αιθυλένιο είναι αρκετά δραστικό και βρίσκει πληθώρα εφαρμογών στη χημική βιομηχανία. Δεν θα ήταν υπερβολή αν το αιθυλένιο χαρακτηριζόταν ως η θεμελιώδης βάση της παγκόσμιας πετροχημικής βιομηχανίας, με εφαρμογές σε ένα πολύ ευρύ φάσμα χημικών διεργασιών [76]. Ο λόγος είναι ότι οι εμπορικές χημικές ουσίες που παράγονται από το αιθυλένιο είναι περισσότερες από οποιαδήποτε άλλο «ενδιάμεσο» προϊόν. Αυτή η μοναδική θέση του αιθυλενίου, μεταξύ των άλλων ενδιάμεσων υδρογονανθράκων οφείλεται σε ορισμένες ιδιότητες στο μόριο του αιθυλενίου καθώς και σε τεχνικούς και οικονομικούς παράγοντες. Αυτοί θα μπορούσαν να συνοψισθούν στα ακόλουθα: Απλή δομή μορίου με υψηλή δραστικότητα Σχετικά φθηνή ένωση Εύκολη παραγωγή και σε υψηλές αποδόσεις από οποιαδήποτε πηγή υδρογονανθράκων, κυρίως με την διαδικασία της ατμοπυρόλυσης Παράγονται λιγότερα παραπροϊόντα από τις αντιδράσεις του αιθυλενίου με άλλες ενώσεις σε σχέση με άλλες ολεφίνες [76] Το αιθυλένιο συμμετέχει σε αντιδράσεις προσθήκης με πολλά φθηνά αντιδραστήρια όπως το νερό, το χλώριο, το υδροχλώριο και το οξυγόνο με αποτέλεσμα την παραγωγή πολύτιμων χημικών ουσιών [76]. Στο Σχήμα 1.4 απεικονίζονται οι σημαντικότερες χημικές ουσίες που παράγονται από το αιθυλένιο. 25

36 Σχήμα 1.4: Τα σημαντικότερα χημικά προϊόντα που προέρχονται από το αιθυλένιο [76] Το ευρύ φάσμα χρήσης του αιθυλενίου στην πετροχημική βιομηχανία για την παραγωγή πληθώρας προϊόντων, το κατατάσσει στην κορυφή των οργανικών προϊόντων με τη μεγαλύτερη παγκόσμια παραγωγή. Η παγκόσμια παραγωγή σε αιθυλένιο εκτιμάται περίπου εκατομμύρια τόνους για το 2013, η οποία είναι υψηλότερη κατά 1.74% από την αντίστοιχη τιμή για το 2012, ενώ η ζήτηση αναμένεται να αγγίξει τους 160 εκατομμύρια τόνους το Περιοχές όπως η Ασία- Ειρηνικός και Βόρεια Αμερική είναι είναι οι πρώτες σε παραγωγή αιθυλενίου. Στο Σχήμα 1.6 φαίνεται η παραγωγή κάθε περιοχής σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία για τον μήνα Ιανουάριο του 2013 [77]. 26 Σχήμα 1.5: Παραγωγή αιθυλενίου σε περιοχές του κόσμου για το 2013 [77]

37 Η βασική χρήση (περίπου το 59%) του αιθυλενίου είναι για την παραγωγή πολυαιθυλενίου (LDPE, LLDPE, HDPE), ενώ τα υπόλοιπα βασικά παράγωγα είναι το αιθυλενοδιχλωρίδιο (EDC), το αιθυλενοξείδιο (ΕΟ), το VAM (μονομερές ακετοβινύλιο, vinil acetate monomer) και το αιθυλικό βενζόλιο (ΕΒ). Η κατανάλωση του αιθυλενίου ανά παράγωγο για το 2011 στη Δυτική Ευρώπη, παρουσιάζεται στο Σχήμα 1.7. Σχήμα 1.6: Κατανάλωση αιθυλενίου ανά παράγωγο προϊόν στη Δ.Ευρώπη το έτος 2011 [78] Βιομηχανική παραγωγή αιθυλενίου Η παραγωγή των ελαφρών ολεφινών C 2 -C 4 γίνεται κατά κανόνα μέσω διαφόρων διαδικασιών πυρόλυσης. Το αιθυλένιο παράγεται σήμερα αποκλειστικά μέσω της διεργασίας της θερμικής πυρόλυσης παρουσία ατμού ατμοπυρόλυσης. Οι πρώτες ύλες για την ατμοπυρόλυση μπορεί να είναι ελαφροί υδρογονάνθρακες (αιθάνιο) ή κλάσματα πετρελαίου (νάφθα). Οι αντιδράσεις πυρόλυσης κατά κύριο λόγο απαιτούν υψηλά ποσά ενέργειας για την παραγωγή ολεφινών. Η ευρέως χρησιμοποιούμενη πρώτη ύλη για το αιθυλένιο είναι το αιθάνιο και η αντίδραση (μηχανισμός ελευθέρων ριζών) που πραγματοποιείται είναι: CH 3 CH 3 CH 2 =CH 2 + H 2 ΔH 590 C = +143 kj 27

38 Σε μια τυπική μονάδα ατμοπυρόλυσης για την παραγωγή αιθυλενίου (Σχήμα 1.7), η υδρογονανθρακική τροφοδοσία εισέρχεται στο τμήμα συναγωγής του αντιδραστήρα πυρόλυσης, όπου μέσω μιας σειράς εναλλακτών θερμότητας προθερμαίνεται στους 650 ο C. Στη συνέχεια, αναμιγνύεται με ατμό με τυπική κατά βάρος αναλογία ατμού/ τροφοδοσίας και εισέρχεται σε αυλούς μεγάλου μήκους και μικρής διαμέτρου. Η παρουσία του ατμού επιτελεί δύο κυρίως λειτουργίες: τη μείωση της μερικής πίεσης των υδρογονανθράκων και την ελάττωση του κωκ που εναποτίθεται στα τοιχώματα των αυλών. Η πυρόλυση λαμβάνει χώρα κυρίως στο τμήμα ακτινοβολίας του φούρνου, όπου κάτω από συνθήκες ελεγχόμενου χρόνου παραμονής, θερμοκρασιακού προφίλ και μερικών πιέσεων οι αυλοί θερμαίνονται εξωτερικά στους o C για s. Στη μικρή αυτή χρονική περίοδο, οι υδρογονάνθρακες διασπώνται σε μικρότερα μόρια μέσω ενός μηχανισμού ελευθέρων ριζών. Η σύσταση του ρεύματος εξόδου εξαρτάται ισχυρά από το είδος της τροφοδοσίας, περιέχει όμως τυπικά μεγάλες συγκεντρώσεις αιθυλενίου και σε μικρότερο ποσοστό προπυλένιο, βουτένια και κάποια βαρύτερα προϊόντα. Οι τροφοδοσίες που χρησιμοποιούνται στη διεργασία της ατμοπυρόλυσης για την παραγωγή αιθυλενίου είναι κυρίως αιθάνιο, LPG, νάφθα και αεριέλαια. 28

39 Σχήμα 1.7. Διάγραμμα ροής της διεργασίας της ατμοπυρόλυσης υδρογονανθρακικών κλασμάτων για παραγωγή αιθυλενίου [79] Η ατμοπυρόλυση υδρογονανθρακικών κλασμάτων για την παραγωγή αιθυλενίου αποτελεί τη διεργασία με τις μεγαλύτερες ενεργειακές απαιτήσεις στην πετροχημική βιομηχανία που φτάνουν τα 19 GJ ανά τόνο παραγόμενου αιθυλενίου [80]. Τα 2/3 της ενέργειας αυτής καταναλώνονται στο τμήμα της πυρόλυσης για τη θέρμανση της τροφοδοσίας στις υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας του αντιδραστήρα και την παροχή των μεγάλων ποσών ενέργειας που απαιτεί η ενδόθερμη αντίδραση της διάσπασης, ενώ το υπόλοιπο χρησιμοποιείται για τη συμπίεση και το τμήμα διαχωρισμού των προϊόντων. Τα σοβαρά μειονεκτήματα που παρουσιάζει η διεργασία της ατμοπυρόλυσης σε συνδυασμό με τη δυσκολία περαιτέρω βελτιστοποίησης της διεργασίας λόγω ωρίμανσης της τεχνογνωσίας, έχουν οδηγήσει την έρευνα στην ανάπτυξη εναλλακτικών μεθόδων για την παραγωγή αιθυλενίου. 29

40 1.3.3 Εναλλακτική μέθοδος παραγωγής αιθυλενίου- Οξειδωτική αφυδρογόνωση αιθανίου Οι μεγάλες ανάγκες της πετροχημικής βιομηχανίας σε αιθυλένιο και η γενική απαίτηση στα πλαίσια της προστασίας του περιβάλλοντος και της εξοικονόμησης των μη-ανανεώσιμων πηγών, για στροφή της βιομηχανίας σε καθαρές ενεργειακά ισορροπημένες διεργασίες καθιστούν επιτακτική την ανάπτυξη μιας εναλλακτικής διεργασίας παραγωγής αιθυλενίου που θα αντικαταστήσει τη δαπανηρή και ενεργοβόρα διεργασία της ατμοπυρόλυσης. Οι πιο ενδιαφέρουσες εναλλακτικές μέθοδοι που έχουν προταθεί βασίζονται στην καταλυτική μετατροπή ελαφρών παραφινών, που αποτελούν βασικά συστατικά του φυσικού αερίου και πλεονάζουν στο διυλιστήριο, σε προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας, όπως είναι οι ολεφίνες. Η παραγωγή αιθυλενίου μέσω της καταλυτικής αφυδρογόνωσης του αιθανίου είναι μια νέα, αναπτυσσόμενη τεχνολογία με μεγάλη δυναμική και ιδιαίτερο τεχνολογικό και οικονομικό ενδιαφέρον. Σήμερα, αποτελεί την πιο ελκυστική εναλλακτική πρόταση για την παραγωγή αιθυλενίου, και παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα έναντι της ενεργοβόρας ατμοπυρόλυσης. Η οξειδωτική αφυδρογόνωση λαμβάνει χώρα παρουσία ενός δέκτη υδρογόνου (οξειδωτικό μέσο), όπως το μοριακό οξυγόνο. Η διεργασία αυτή έχει τη δυνατότητα να ξεπεράσει τα σημαντικά τεχνικά προβλήματα που σχετίζονται με την αφυδρογόνωση και έχουν να κάνουν με τους θερμοδυναμικούς περιορισμούς στη μετατροπή του αιθανίου, με παράπλευρες αντιδράσεις όπως για παράδειγμα η πυρόλυση, με την ισχυρή ενδοθερμικότητα των αντιδράσεων που απαιτούν τη θέρμανση της τροφοδοσίας σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και το σχηματισμό κωκ [81]. Η παρουσία του οξυγόνου καθιστά τη διεργασία εξώθερμη, με φυσικό αποτέλεσμα τη δυνατότητα ανάπτυξης μιας ενεργειακά ισορροπημένης διεργασίας, ενώ άρει επίσης τους θερμοδυναμικούς περιορισμούς που επιβάλλει η αφυδρογόνωση των αλκανίων. Επιπλέον, αποφεύγεται ο σχηματισμός και η εναπόθεση κωκ [82]. Κατά την οξειδωτική αφυδρογόνωση του αιθανίου, το αιθάνιο ενεργοποιείται παρουσία οξυγόνου και αφυδρογονώνεται σε αιθυλένιο και νερό. Βέβαια στην πράξη, κατά τη διάρκεια της αντίδρασης λαμβάνουν χώρα μια σειρά από ανεπιθύμητες 30

41 αντιδράσεις, όπως η πρωτογενής παράλληλη οξείδωση του αιθανίου και η δευτερογενής διαδοχική οξείδωση του παραγόμενου αιθυλενίου σε CO x. Το δίκτυο των αντιδράσεων που πραγματοποιούνται κατά την οξειδωτική αφυδρογόνωση παρουσιάζεται συνοπτικά στο Σχήμα 1.8. CO C 2 H 6 + O 2 C 2 H 4 CO 2 Σχήμα 1.8. Δίκτυο αντιδράσεων οξειδωτικής αφυδρογόνωσης αιθανίου [83] Για την επιτυχημένη βιομηχανική εφαρμογή μιας τέτοιας διεργασίας είναι απαραίτητη η ανάπτυξη ενός καταλυτικού συστήματος το οποίο θα μπορεί να ενεργοποιεί εκλεκτικά τους δεσμούς C-H του αιθανίου προς αιθυλένιο και να παρεμποδίζει τις θερμοδυναμικά ευνοούμενες αντιδράσεις ολικής οξείδωσης. Επομένως, απαιτείται ένας καταλύτης με πολλαπλές δράσεις (multifunctional) και λεπτομερής καθορισμός και έλεγχος των καταλυτικών ιδιοτήτων [82]. 31

42 1.3.4 Καταλυτικά συστήματα βασισμένα στο οξείδιο του νικελίου (NiO) για την αντίδραση οξειδωτικής αφυδρογόνωσης αιθανίου H οξειδωτική αφυδρογόνωση του αιθανίου έχει μελετηθεί σε ένα μεγάλο εύρος καταλυτικών υλικών. Τα οξείδια μετάλλων μετάπτωσης εμφανίζονται ενεργά στην αντίδραση, σε χαμηλές θερμοκρασίες (<500οC) και έχουν μελετηθεί τα τελευταία χρόνια από πολλούς ερευνητές [84, 85]. Τα πιο υποσχόμενα καταλυτικά υλικά, φαίνονται να είναι τα μικτά οξείδια με συνδυασμό μετάλλων. Οι Lopez Nieto et al. έχουν αναπτύξει ένα σύστημα μικτού οξειδίου που βασίζεται στα μέταλλα Μο-V-Te-Nb και επιτυγχάνει μέχρι 75% απόδοση αιθυλενίου σε χαμηλές θερμοκρασίες αντίδρασης ( οC) [86]. Υψηλές επιδόσεις σε αιθυλένιο έχουν αναφερθεί με την προσθήκη χλωρίου σε οξείδια μη-αναγώγιμων μετάλλων (π.χ. LiCl/MgO), όπου η αντίδραση χωρεί μέσω ενός ετερογενούς-ομογενούς μηχανισμού [87, 88]. Ωστόσο, σοβαρά προβλήματα όπως μικρή σταθερότητα του καταλύτη και απελευθέρωση χλωρίου, σχετίζονται με τη χρήση αυτών των καταλυτών [89]. Γενικά, oι καταλύτες νικελίου αποτελούν μια σημαντική κατηγορία καταλυτικών υλικών και εφαρμόζονται ευρέως σε πολλές σημαντικές αντιδράσεις, όπως η υδρογόνωση, η αναμόρφωση του φυσικού αερίου για την παραγωγή αερίου σύνθεσης, κλπ. Μελέτες που έγιναν πρόσφατα, έδειξαν ότι υλικά που είναι βασισμένα στο νικέλιο έχουν πολύ καλή καταλυτική συμπεριφορά στην αντίδραση ODHE και στην παραγωγή αιθυλενίου [89-91]. Το νικέλιο, στοιχείο που ανήκει στα μέταλλα μετάπτωσης, αποτελεί μία πρώτη ύλη με σχετικά χαμηλό κόστος, που είναι ικανό να ενεργοποιήσει το αιθάνιο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες [92]. Ο συνδυασμός του οξειδίου του νικελίου με αρκετά μέταλλα έχει μεγάλη επίδραση τόσο στην ενεργότητα των καταλυτών όσο και στην εκλεκτικότητα προς αιθυλένιο [93]. Το οξείδιο του νικελίου που έχει πυρωθεί σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (<600 ο C), είναι ένα μη-στοιχειομετρικό οξείδιο με κενές κατιονικές θέσεις [94, 95]. Εξαιτίας της μη-στοιχειομετρίας και της συνεπακόλουθης υψηλή αγωγιμότητα του NiO, ο καταλύτης αυτός παρουσιάζει υψηλή συγκέντρωση ηλεκτρονιόφιλων ιόντων οξυγόνου (O) στην επιφάνεια του, κάτι που έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά [91, 96]. Οι ιδιότητες αυτές καθιστούν το καθαρό οξείδο του νικελίου, το οποίο έχει 32

43 παρασκευαστεί μέσω της απευθείας πύρωσης του νιτρικού άλατος στους 450 ο C [96] ιδιαίτερα μη-εκλεκτικό καταλύτη για την αντίδραση της οξειδωτικής αφυδρογόνωσης του αιθυλενίου [91, 96, 97]. Λαμβάνοντας υπόψη τη χαμηλή τιμή ειδικής επιφάνειας που έχει καταγραφεί για το υλικό αυτό (έως 17m 2 /gr), το NiO εμφανίζεται από την άλλη ως ιδιαίτερα ενεργός καταλύτης για τη μετατροπή του αιθανίου [91, 96, 97]. Έτσι, έχουν γίνει προσπάθειες για τη βελτίωση της δομής του όσο αφορά την αύξηση της ειδικής του επιφάνειας αλλά και της συγκέντρωσης των εκλεκτικών ενεργών καταλυτικών θέσεων για την παραγωγή αιθυλενίου στην επιφάνεια του. Μια τέτοια προσπάθεια καταγράφεται μέσω της σύνθεσης μεσοπορώδους οξειδίου του νικελίου με τη χρήση επιφανειοδραστικών ενώσεων [98, 99]. Στις μελέτες αυτές το μεσοπορώδες οξείδιο του νικελίου παρασκευάστηκε με τη χρήση sodium dodecyl sulfate (SDS) και ουρίας (urea) και τα τελικά υλικά μετά την πύρωση στους 450oC παρουσίασε ειδική επιφάνεια ίση με 77m 2 /gr και μεσοπορώδη δομή με μέσο μέγεθος πόρων ίσο με 11.5 nm [98]. Η δοκιμασία των υλικών αυτών στις αντιδράσεις οξειδωτικής αφυδρογόνωσης αιθανίου [99] και προπανίου [98] έδειξε ότι το μεσοπορώδες οξείδιο του νικελίου παρουσίασε σημαντικά αυξημένη εκλεκτικότητα προς την αντίστοιχη ολεφίνη σε σχέση με το απλό οξείδιο του νικελίου. Σε άλλες μελέτες η προσθήκη οξαλικού [97] ή κιτρικού οξέος [100] σε υδατικό διάλυμα νιτρικού οξειδίου, οδήγησε σε NiO μεγάλης ειδικής επιφάνειας και βελτιωμένων καταλυτικών ιδιοτήτων σε σχέση με το απλό NiO. Τέλος, οξείδιο του νικελίου φυλλόμορφης (flower-like) μεσοπορώδους δομής, που παρασκευάστηκε μέσω της προσθήκης ουρίας σε υδατικό διάλυμα νιτρικού νικελίου δοκιμάστηκε στην αντίδραση οξειδωτικής αφυδρογόνωσης του αιθανίου και παρουσίασε περίπου τέσσερις φορές μεγαλύτερη μετατροπή αιθανίου και κατά 50% αυξημένη εκλεκτικότητα προς αιθυλένιο σε σχέση με το NiO που παρασκευάστηκε μέσω απευθείας πύρωσης της πρόδρομης ένωσης [101]. 33

44 1.4 Σκοπός της διπλωματικής εργασίας Η μέθοδος σκληρού εκμαγείου (Hard Templating), όπου ένα μεσοπορώδες στερεό και ειδικότερα μία μεσοπορώδης σίλικα χρησιμοποιείται ως καλούπι εντός του οποίου θα αναπτυχθεί ένα άλλο στερεό (π.χ., ένα οξείδιο μετάλλου μετάπτωσης), έχει χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση ενός ευρέος φάσματος μεσοπορωδών υλικών που συνδυάζουν διατεταγμένη δομή πόρων και κρυσταλλικά τοιχώματα μεσοπόρων. Η σύνθεση υλικών με τελικό σκοπό την εφαρμογή τους σε καταλυτικές αντιδράσεις αποτελεί ιδιαίτερα ενδιαφέρον και αναπτυσσόμενο ερευνητικό πεδίο. Από την άλλη, οι μελέτες που υπάρχουν στην βιβλιογραφία, έχουν δείξει ότι το καθαρό οξείδιο του νικελίου (NiO) με μεσοπορώδη δομή και μεγάλη επιφάνεια παρουσιάζει μεγάλη ενεργότητα στην αντίδραση οξειδωτικής αφυδρογόνωσης του αιθανίου, μια αντίδραση με ιδιαίτερο επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον, δεδομένης της αυξανόμενης ζήτησης σε αιθυλένιο και της ανάγκης για ανάπτυξη καταλυτικών διεργασιών με χαμηλό ενεργειακό αποτύπωμα. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η σύνθεση και ο βασικός φυσικοχημικός χαρακτηρισμός μεσοπορωδών οξειδίων του νικελίου με τη μέθοδο σκληρού εκμαγείου. Ως εκμαγεία χρησιμοποιήθηκαν οι μεσοπορώδεις σίλικες MCM-41 και KIT-6. Η σύνθεση των οξειδίων του νικελίου έγινε με δύο διαφορετικές μεθόδους ώστε να μελετηθεί η επίδραση της φύσης του διαλύτη κατά το στάδιο της εισαγωγής του οξειδίου του νικελίου στο σύστημα πόρων της μεσοπορώδους πυριτίας. Επιπλέον, εξετάζεται η επίδραση του ποσοστού φόρτισης σε οξείδιο του νικελίου, ως παράγοντας που μπορεί να επηρεάσει την επιτυχημένη ανάπτυξη των κρυστάλλων NiO στο εσωτερικό του συστήματος πόρων της πυριτίας. Οι οξειδοαναγωγικές ιδιότητες των τελικών υλικών εξετάζονται μέσω πειραμάτων θερμοπρογραμματιζόμενης αναγωγής με υδρογόνο. Όλα τα υλικά δοκιμάστηκαν στην αντίδραση της οξειδωτικής αφυδρογόνωσης του αιθανίου, και η απόδοσή τους συγκρίνεται με την καταλυτική συμπεριφορά του απλού οξειδίου του νικελίου που παρασκευάστηκε μέσω απευθείας πύρωσης του πρόδρομου νιτρικού άλατος. 34

45 2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 2.1 Παρασκευή καταλυτών οξειδίου του νικελίου με μεσοπορώδη δομή Στις επόμενες παραγράφους περιγράφονται αναλυτικά οι πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνθεση των καταλυτών στην παρούσα εργασία. Έγινε προσπάθεια σύνθεσης καταλυτών οξειδίων του νικελίου NiO με μεσοπορώδη δομή με την μέθοδο Hard Templating. Τα δύο μεσοπορώδη υλικά που χρησιμοποιήθηκαν ως καλούπια (templates) ήταν το MCM-41 (Aldrich) και το KIT-6 (American Elements) Παρασκευή καταλύτη NiO Για λόγους σύγκρισης, παρασκευάστηκε απλό δείγμα κατλύτη NiO μέσω απευθείας πύρωσης του νιτρικού νικελίου (Ni(ΝΟ 3 ) 2 6H 2 O, Merck) στους 450 ο C για 5h υπό ροή συνθετικού αέρα Παρασκευή καταλυτών NiO/MCM-41 Η παρασκευή των συγκεκριμένων καταλυτών NiO με τη χρήση του μεσοπορώδους MCM-41 ως εκμαγείου έγινε σύμφωνα με τη μέθοδο που εφάρμοσαν οι Wang και Xia [74], κατά την οποία ο εμποτισμός της μεσοπορώδους σίλικας με το πρόδρομο άλας του νιτρικού νικελίου γίνεται σε υδατικό περιβάλλον, με τη χρήση απιονισμένου νερού. Η σύνθεση του καταλύτη πραγματοποιείται σε δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο αφορά την εισαγωγή του οξειδίου του νικελίου στη μεσοπορώδη σίλικα, και το δεύτερο στάδιο την απομάκρυνση αυτής. 1 ο Στάδιο: Εισαγωγή του NiO στο MCM-41 Παρασκευάστηκαν δύο καταλύτες NiO/MCM-41 με διαφορετική περιεκτικότητα οξειδίου του νικελίου στο πρόδρομο υλικό. Ο λόγος NiO/(NiO+MCM-41) στον έναν καταλύτη είναι 68.15%wt και στον άλλον 17%wt. Αρχικά η πρόδρομη ένωση του νικελίου (Ni(ΝΟ 3 ) 2 6H 2 O, Merck) διαλύθηκε σε αποσταγμένο νερό, και στη συνέχεια προστέθηκε η μεσοπορώδης σίλικα MCM-41 Εικόνα 2.1: Περιστροφικός εξατμιστής 35

46 (Aldrich) στο διάλυμα. Οι ποσότητες που αναμίχθηκαν, για τον πρώτο καταλύτη NiO/MCM-2-68-B (68%wt φόρτιση σε NiO) ήταν τέτοιες ώστε να τηρούνται συγκεκριμένες αναλογίες [74], οι οποίες είναι 5gr Ni(ΝΟ 3 ) 2 6H 2 O/75gr H 2 Ο/0.6 gr MCM-41, και φαίνονται στον Πίνακα 2.1. Στον ίδιο πίνακα παρουσιάζονται και οι ποσότητες που αναμίχθηκαν για τον δεύτερο καταλύτη NiO/MCM-2-17-B (17%wt φόρτιση σε NiO), οι οποίες είναι 3.06gr Ni(ΝΟ 3 ) 2 6H 2 O/15.3gr H 2 Ο/3.83 gr MCM- 41, και ήταν τέτοιες ώστε να τηρούνται συγκεκριμένες αναλογίες [51]. Ακολούθησε θέρμανση στους 70 o C υπό συνεχή περιστροφική ανάδευση ( 160rpm) για 1 ώρα και εξάτμιση υπό ελαττωμένη πίεση στην ίδια θερμοκρασία σε περιστροφικό εξατμιστή (Εικόνα 2.1) με την βοήθεια αντλίας κενού (Welch, μοντέλο 1400), ώστε να απομακρυνθεί η μεγαλύτερη ποσότητα του διαλύτη. Τέλος το δείγμα αφήνεται στον φούρνο (Memmert, μοντέλο D ) για περίπου 15h στους 120 ο C με σκοπό την πλήρη απομάκρυνση του διαλύτη και τέλος πυρώνεται σε συνθετικό αέρα στους 450 ο C για 5 ώρες. 2 ο Στάδιο: Απομάκρυνση του MCM-41 από το NiO Για την απομάκρυνση της μεσοπορώδους πυριτίας αρχικά πραγματοποιήθηκαν αρκετές πλύσεις του δείγματος με θερμό διάλυμα καυστικού νατρίου, 2Μ NaOH (60 ο C). Ακολούθησε έκπλυση του δείγματος τόσο με αιθανόλη όσο και με αποσταγμένο νερό. Το προκύπτον στερεό παρέμεινε για περίπου 12 ώρες στους 60 ο C. Πίνακας 2.1: Ποσότητες αντιδραστηρίων και παρασκευασμένων καταλυτών NiO/MCM- 41 NiO/MCM-2-68 NiO/MCM-2-17 NiO/(NiO+MCM-41) (wt%) Ni(ΝΟ 3 ) 2 6H 2 O (gr) MCM-41 (gr) Απεσταγμένο νερό (ml) Τελική ποσότητα καταλύτη (gr)

47 2.1.3 Παρασκευή καταλυτών ΝiO/KIT-6 Η σύνθεση των καταλυτών NiO/KIT-6 γίνεται και αυτή σε δύο στάδια όπως περιγράφηκε πιο πάνω για τους καταλύτες NiO/MCM-41. Χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικές μέθοδοι, η διαφορά των οποίων εντοπίζεται στο στάδιο της εισαγωγής του οξειδίου του νικελίου (ΝiO) στην μεσοπορώδη σίλικα (ΚΙΤ-6). Κατά την πρώτη μέθοδο [51], με την οποία παρασκευάστηκαν δύο καταλύτες διαφορετικής περιεκτικότητας του NiO, η πρόδρομη ένωση του νικελίου (Ni(ΝΟ 3 ) 2 6H 2 O, Merck) διαλύθηκε σε αιθανόλη (CH 3 CH 2 OH, Panreac) και προστέθηκε η μεσοπορώδης σίλικα ΚΙΤ-6 (American Elements). Ακολούθησε ανάδευση του μίγματος σε θερμαντική/μαγνητική πλάκα, μέχρι να εξατμιστεί η αιθανόλη, σε σταθερή θερμοκρασία 80 ο C. Μόλις εξατμίστηκε η αιθανόλη η θερμοκρασία ρυθμίστηκε στους 70 ο C και προστέθηκε κανονικό εξάνιο. Η ανάδευση του μίγματος έλαβε τέλος μόλις εξατμίστηκε το εξάνιο. Για τον πρώτο καταλύτη (NiO/KIT1-17-B, 17%wt φόρτιση σε NiO), οι αναλογίες των χημικών ενώσεων της μεθόδου [51] ήταν 4gr Ni(ΝΟ 3 ) 2 6H 2 O/150ml ethanol/5gr KIT-6/100ml n-hexane. Για τον δεύτερο καταλύτη (NiO/KIT-1-68-B, 68%wt φόρτιση σε NiO), οι αναλογίες των χημικών ενώσεων ήταν 10.6gr Ni(ΝΟ 3 ) 2 6H 2 O/38.2ml ethanol/1.27gr KIT-6/25.5ml n-hexane. Στην συνέχεια ακολούθησε ξήρανση στους 120 ο C για περίπου 15 και πύρωση σε συνθετικό αέρα στους 450 ο C για 5 ώρες. Η απομάκρυνση του ΚΙΤ-6 έγινε με τον ίδιο τρόπο με τους καταλύτες NiO/MCM-41. Η δεύτερη μέθοδος, η οποία χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή του καταλύτη NiO/KIT-2-68-Β είναι η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για τους καταλύτες NiO/MCM-41. Τα βήματα της πειραματικής διαδικασίας και για τις δύο μεθόδους παρουσιάζονται στον Πίνακα

48 Πίνακας 2.2: Στάδια πειραματικής διαδικασίας για την σύνθεση των καταλυτών NiO/KIT-6 1o στάδιο: εισαγωγή NiO στο KIT-6 1 η Μέθοδος 2 η Μέθοδος Διάλυση Ni(ΝΟ 3 ) 2 6H 2 O σε αιθανόλη, Διάλυση Ni(ΝΟ 3 ) 2 6H 2 O σε νερό, προσθήκη ΚΙΤ-6 στο διάλυμα προσθήκη ΚΙΤ -6 στο διάλυμα Ανάδευση στους 80 ο C για εξάτμιση Θέρμανση στους 70 ο C υπό συνεχή αιθανόλης ανάδευση για 1 ώρα. Προσθήκη n-εξανίου και ανάδευση στους Εξάτμιση διαλύτη υπό ελαττωμένη 70 ο C πίεση Ξήρανση στους 120 ο C και πύρωση σε συνθετικό αέρα στους 450 ο C για 5 ώρες 2 ο Στάδιο: Απομάκρυνση του ΚΙΤ-6 Πλύσεις του δείγματος με θερμό διάλυμα 2Μ NaOH Έκπλυση του δείγματος με αποσταγμένο νερό Ξήρανση στερεών για όλη την νύκτα στους 60 ο C Οι ποσότητες των χημικών ενώσεων που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή των παραπάνω καταλυτών, καθώς και οι ποσότητες των καταλυτών που προέκυψαν φαίνονται στον Πίνακα 2.3. Πίνακας 2.3: Ποσότητες αντιδραστηρίων και παρασκευασμένων καταλυτών NiO/KIT-6 NiO/KIT-1-17 NiO/KIT-1-68 NiO/KIT-2-68 Μέθοδος παρασκευής 1 η Μέθοδος 1 η Μέθοδος 2 η Μέθοδος NiO/(NiO+MCM-41) (wt%) Νi(ΝΟ 3 ) 2 (gr) KIT-6 (gr) Απεσταγμένο νερό (ml) Αιθανόλη (ml) Κανονικό εξάνιο (ml) Τελική ποσότητα καταλύτη (gr)

49 2.2 Τεχνικές χαρακτηρισμού καταλυτών Εισαγωγή Σε κάθε περίπτωση μελέτης καταλυτικών υλικών και δοκιμασίας τους σε κάποια αντίδραση απαιτείται λεπτομερής γνώση των διαφόρων φυσικοχημικών ιδιοτήτων του καταλυτικού υλικού, η δομή του και άλλα χαρακτηριστικά που σχετίζονται με τη συμπεριφορά και την απόδοση του καταλύτη. Συνεπώς, καμία μελέτη καταλυτικών αντιδράσεων δεν παρουσιάζεται στην επιστημονική κοινότητα χωρίς να συνοδεύεται από περιγραφή των κύριων χαρακτηριστικών του καταλύτη. Στο Σχήμα 2.1 γίνεται μια προσπάθεια περιληπτικής σχηματικής αναφοράς στις ιδιότητες τις απαραίτητες για τον χαρακτηρισμό των καταλυτών. Σχήμα 2.1: Γενικό σχήμα χαρακτηρισμού καταλυτών [102] Ανάλογα με την ιδιότητα που θα προσδιοριστεί κάθε φορά, αλλά και το είδος του προς χαρακτηρισμό καταλυτικού υλικού, επιλέγεται η κατάλληλη μέθοδος χαρακτηρισμού των στερεών καταλυτών. Οι τεχνικές χαρακτηρισμού μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με τις ιδιότητες του υλικού που αυτές καλούνται να προσδιορίσουν. Έτσι, υπάρχουν τεχνικές για τον προσδιορισμό των φυσικών 39

50 χαρακτηριστικών, των συνολικών χημικών χαρακτηριστικών και των επιφανειακών χημικών χαρακτηριστικών των στερεών καταλυτών [103]. Επίσης, οι τεχνικές χαρακτηρισμού μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με το είδος του φαινομένου που μελετάται κατά τον χαρακτηρισμό. Με βάση αυτή την ταξινόμηση, υπάρχουν (i) χημικές, (ii) στατικές φυσικοχημικές και (iii) φασματοσκοπικές και άλλες παρεμφερείς τεχνικές. Οι χημικές τεχνικές περιλαμβάνουν τεχνικές που βασίζονται στην προσρόφηση αερίων (μέθοδος ΒΕΤ) για τον προσδιορισμό της ειδικής επιφάνειας του υλικού, καθώς και τη χημειορρόφηση αερίου για τη μέτρηση της ειδικής επιφάνειας κάποιων μεταλλικών φάσεων. Επίσης, στις χημικές τεχνικές χαρακτηρισμού κατατάσσονται και οι μέθοδοι εκείνες που βασίζονται στη μέτρηση της δραστικότητας των υλικών, όπως είναι οι διάφορες τεχνικές θερμική ανάλυσης (ΤΑ), η θερμοβαρυμετρία (ΤG), η θερμοπρογραμματιζόμενη εκρόφηση ή αναγωγή (TPD/TPR) κ.ά. Οι στατικές φυσικοχημικές μέθοδοι βασίζονται στη μέτρηση της απόκρισης του υλικού κάτω από την επίδραση ενός στατικού συνόλου δυνάμεων, είτε αυτές είναι μηχανικές (πίεση), είτε ηλεκτρομαγνητικές. Στις φασματοσκοπικές μεθόδους μετράται η απόκριση του προς εξέταση δείγματος όταν αυτό υπόκειται σε ακτινοβολία, είτε ηλεκτρομαγνητικό κύμα είτε σωματίδια. Η απόκριση του δείγματος μπορεί να είναι η σκέδαση ή η απορρόφηση της ακτινοβολίας, ή μπορεί επίσης να περιλαμβάνει απορρόφηση ακολουθούμενη από εκπομπή άλλου είδους ακτινοβολίας. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τεχνικές όπως η φασματοσκοπία υπερύθρου (IR), υπεριώδους ορατού (UV-Vis), η φασματοσκοπία Raman, η περίθλαση ακτίνων-χ (XRD), η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), η ηλεκτρονική μικροσκοπία διαπερατότητας (TEM), η μέθοδος πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (MNR) και παραμαγνητικού συντονισμού ηλεκτρονίων (EPR), κ.ά. [102]. Στο Σχήμα 2.2 γίνεται μια προσπάθεια ταξινόμησης των διαφόρων μεθόδων/τεχνικών χαρακτηρισμού στερεών καταλυτών, η οποία ακολουθεί σε γενικές γραμμές το Σχήμα

51 Σχήμα 2.2: Γενικό σχήμα τεχνικών χαρακτηρισμού [102] Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας χρησιμοποιήθηκαν ορισμένες τεχνικές χαρακτηρισμού για την εξαγωγή χρήσιμών συμπερασμάτων για τους καταλύτες, οι οποίες παρουσιάζονται αναλυτικά στην συνέχεια. 41

52 2.2.2 Χημική ανάλυση με Φασματοσκοπία Ατομικής Εκπομπής Επαγωγικά Συζευγμένου Πλάσματος (ICP AES) 42 Η ατομική φασματοσκοπία βασίζεται στην αλληλεπίδραση των ατόμων της ύλης με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και διακρίνεται σε τρεις κύριες κατηγορίες τεχνικών: στη φασματοσκοπία ατομικής απορρόφησης (AAS), τη φασματοσκοπία ατομικής εκπομπής (AES) και τη φασματοσκοπία ατομικού φθορισμού (AFS). Η βασική αρχή στην οποία στηρίζεται η φασματομετρία ατομικής εκπομπής (Αtomic Εmission Spectrometry, AES) είναι η διέγερση των ατόμων σε ένα δείγμα από κάποια πηγή διέγερσης (φλόγα, βολταϊκό τόξο, σπινθήρες, πλάσμα, laser) και η καταγραφή της έντασης της ακτινοβολίας που εκπέμπεται κατά την αποδιέγερση τους. Ως πλάσμα ορίζεται ένα μερικώς ιονισμένο αέριο υψηλής θερμοκρασίας, ικανό να ατομοποιήσει και να διεγείρει τα περισσότερα στοιχεία του περιοδικού πίνακα. Η χρήση του ως πηγή διέγερσης, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία [104], είναι πολύ αποτελεσματική για το είδος των υλικών που μελετώνται στην παρούσα εργασία. Με τη χρήση του επιτυγχάνεται καλύτερη ατομοποίηση των στοιχείων του δείγματος (απελευθέρωση των ατόμων στη βασική τους κατάσταση) και λόγω της υψηλότερης θερμοκρασίας του πλάσματος επιτρέπεται ποσοτικά μεγαλύτερη διέγερση τους, συγκριτικά με τις άλλες πηγές διέγερσης. Ανάλογα με τον τρόπο σχηματισμού του διακρίνονται διάφοροι τύποι πλάσματος: 1. Επαγωγικά Συζευγμένο Πλάσμα (Inductively Coupled Plasma, ICP). 2. Πλάσμα Συνεχούς Ρεύματος (Direct Current Plasma, DCP). 3. Μικροκυματικά Επαγώμενο Πλάσμα (Microwave Induced Plasma, MIP). 4. Χωρητικά Συζευγμένο Μικροκυματικό Πλάσμα (Capacitively coupled Microwave Plasma, CMP). Η χημική ποσοτική στοιχειακή ανάλυση των υλικών που μελετώνται, προσδιορίζεται με φασματοσκοπία ατομικής εκπομπής με επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy, ICP-AES) που είναι ο πιο κοινός τύπος πλάσματος. Το πλάσμα τροφοδοτείται με ισχύ από μία γεννήτρια ραδιοσυχνότητας εξ επαγωγής. Τα αέρια που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ύλη του πλάσματος, είναι το αργό, το ήλιο, το οξυγόνο καθώς και ο αέρας. Από αυτά, το αργό είναι το πιο διαδεδομένο, αφού έχει ικανοποιητικά χαρακτηριστικά ατομοποίησης, ιονισμού και διέγερσης [105].

53 Η διαλυτοποίηση των δειγμάτων γίνεται με εν θερμώ χώνευση με μίγματα ανόργανων οξέων (νιτρικού, υδροχλωρικού, θειϊκού). Η συγκέντρωση των μετάλλων στα διαλυτοποιημένα δείγματα μετράται σε φασματοφωτόμετρο Plasma 400 Perkin Elmer εφοδιασμένο με εκνεφωτή υπερήχων τύπου Cetac6000AT+, στο Εργαστήριο Ανάλυσης και Χαρακτηρισμού Στερεών του Ι.Τ.ΧΗ.Δ. στη Θεσσαλονίκη Μετρήσεις ειδικής επιφάνειας και πορώδους Ποροσιµετρία αζώτου Μία από τις τεχνικές που χρησιμοποιείται ευρέως για τον χαρακτηρισµό του πορώδους των µεσοπορωδών και µικροπορωδών υλικών είναι η προσρόφηση αζώτου στους 77 Κ. Η προσρόφηση αερίων έχει εφαρμοστεί ευρέως για τον προσδιορισµό της ειδικής επιφάνειας και της κατανοµής μεγέθους των πόρων των πορωδών στερεών µε επιφάνειες µεγαλύτερες από 2 m 2 /g. Η διεργασία της προσρόφησης η οποία λαμβάνει χώρα στην επιφάνεια του στερεού, βασίζεται κυρίως στην φυσική προσρόφηση ενός αδρανούς αερίου, συνήθως αζώτου, πάνω στην επιφάνειά τους σε θερμοκρασία ζέσης του υγρού αζώτου (Τ=77 Κ). Κάθε προσροφηµένο µόριο καλύπτει στην επιφάνεια του πορώδους υλικού εµβαδόν ίσο µε τη διατοµή του. Γνωρίζοντας το εµβαδό της διατοµής του προσροφηµένου αερίου (π.χ. για το Ν 2 =16.2 Å 2 /µόριο) και υπολογίζοντας τον αριθµό των µορίων του αερίου που απαιτούνται για να επιτευχθεί µονοµοριακή κάλυψη της επιφάνειας ενός πορώδους υλικού, υπολογίζουµε το εµβαδόν της επιφάνειας του στερεού. Η προσρόφηση ενός αερίου στην επιφάνεια ενός στερεού (προσροφητικό) σε σταθερή θερµοκρασία περιγράφεται από την αντίστοιχη ισόθερµο προσρόφησης. Οι ισόθερµοι προσρόφησης είναι διαγράµµατα της ποσότητας του αερίου που προσροφάται σε κατάσταση ισορροπίας ως συνάρτηση της σχετικής πίεσης P/P 0 σε σταθερή θερµοκρασία (P είναι η πίεση ισορροπίας και P 0 η τάση ατµών (πίεση υγροποίησης) του αερίου στη θερµοκρασία του πειράµατος). Η ποσότητα του προσροφηµένου αερίου εκφράζεται συνήθως σε µονάδες µάζας (g) ή όγκου ανηγµένου σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (STP) [103, 106]. Σύµφωνα µε την IUPAC έξι είναι οι τύποι των ισόθερµων που είναι χαρακτηριστικοί για τα προσροφητικά υλικά και ταξινοµούνται στις ακόλουθες κατηγορίες Σχήμα

54 Ισόθερµος τύπου Ι: δείχνει προσρόφηση σε πορώδες υλικό το οποίο διαθέτει µικροπορώδη δοµή. Τέτοια υλικά είναι για παράδειγµα οι ζεόλιθοι αρκετά πορώδη οξείδια και οι ενεργοί άνθρακες. Ισόθερµος τύπου ΙΙ: παρατηρείται όταν συµβαίνει πολύ-στρωµατική προσρόφηση σε µία επίπεδη επιφάνεια, όπως η επιφάνεια των υλικών που δεν έχουν πόρους και τα µακροπορώδη υλικά. Η αρχή του σχεδόν ευθύγραµµου τµήµατος της ισόθερµης, λαµβάνεται συχνά ως ενδεικτικό του σηµείου στο οποίο η µονοµοριακή κάλυψη είναι ολοκληρωµένη και αρχίζει η πολυστρωµατική προσρόφηση. Ισόθερµος τύπου IΙΙ: εµφανίζεται όταν οι αλληλεπιδράσεις αερίου-στερεού είναι ασθενείς. Ισόθερµος τύπου IV: παρατηρείται συνήθως κατά τη µελέτη της προσρόφησης στις επιφάνειες των µεσοποροδών υλικών. Το σχήµα της δείχνει πολυστρωµατική προσρόφηση η οποία όµως ακολουθείται από υγροποίηση (τριχοειδή συµπύκνωση) του προσροφηµένου αερίου στους µεσοπόρους του προσροφητικού. Ισόθερµος τύπου V: συναντάται στις περιπτώσεις όπου οι διαµοριακές δυνάµεις µεταξύ προσροφούµενου-προσροφητικού είναι ασθενείς και τείνει σε κορεσµό σε υψηλές µερικές πιέσεις. Η ισόθερµος αυτή είναι παρόµοια της ΙΙΙ αλλά µε τάση κορεσµού. Ισόθερµος τύπου VI: παρουσιάζεται σπάνια και το βηµατικό της σχήµα παρατηρείται σε µη πορώδη υλικά µε ενεργειακά οµογενή επιφάνεια. Το σχήµα της ισόθερµης δίνει απευθείας πληροφορίες για: α) τις αλληλεπιδράσεις µεταξύ προσροφητικού-προσροφηµένης ουσίας (ασθενείς ή ισχυρές αλληλεπιδράσεις), β) τη µονοστρωµατική πολυστρωµατική προσρόφηση, γ) την πλήρωση και το άδειασµα των πόρων, δ) τη δοµή των πόρων (µέγεθος και σχήµα) και ε) την προσρόφηση κατά στρώµα. Ειδικότερα, η διεργασία της προσρόφησης στους µεσοπόρους, κυριαρχείται από την προσρόφηση κατά στρώµατα και την τριχοειδή συµπύκνωση, ενώ η πλήρωση των µικροπόρων ελέγχεται από ισχυρές αλληλεπιδράσεις [103]. 44

55 Σχήμα 2.3 Τυπικές µορφές ισοθέρµων προσρόφησης σύµφωνα µε την κατάταξη IUPAC [107] Τα μεσοπορώδη υλικά παρουσιάζουν ισόθερμο προσρόφησης τύπου IV με χαρακτηριστικό βρόγχο υστέρησης. Η υστέρηση, που παρατηρείται στο τμήμα της ισόθερμου στο οποίο συμβαίνει πολυστρωματική προσρόφηση, αποδίδεται στη τριχοειδή συμπύκνωση του αερίου μέσα στους μεσοπόρους του υλικού. Οι βρόγχοι υστέρησης μπορεί με τη σειρά τους να εμφανίζουν διάφορες μορφές όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.4 [108]. Τα αίτια υστέρησης μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε τρεις ομάδες. Υστέρηση μπορεί να παρατηρηθεί σε ενιαίους πόρους καθώς και σε δίκτυα πόρων. Σε γενικές γραμμές, η υστέρηση εξετάζεται: Στο επίπεδο ενός ενιαίου πόρου δεδομένου σχήματος. Στις επιδράσεις των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της σύνδεσης ενός πορώδους δικτύου. Σε εξαιρετικά διαταραγμένα και ανομοιογενή πορώδη υλικά [109]. Η1. Στο βρόγχο αυτό οι δύο καμπύλες προσρόφηση-εκρόφησης είναι σχεδόν κάθετες και παράλληλες μεταξύ τους για ένα σχετικά μεγάλο εύρος σχετικών πιέσεων. Οι βρόγχοι αυτοί αποδίδονται συχνά σε πορώδη υλικά που παρουσιάζουν στενή κατανομή μεγέθους πόρων. Η2. Ο τύπος αυτός παρατηρείται σε πολλά πορώδη υλικά όπως πηκτώματα 45

56 ανόργανων οξειδίων και πορωδών ύαλων με μη καλά καθορισμένη κατανομή μεγέθους και σχήματος πόρων. Συχνά έχει αποδοθεί στο διαφορετικό μηχανισμό συμπύκνωσης και εξάτμισης των αερίων σε πόρους με σχήμα μελανοδοχείου (ink bottle pores). Η3. Στον τύπο αυτό δεν υπάρχει μέγιστη τιμή στην προσρόφηση σε υψηλές τιμές σχετικών πιέσεων και παρατηρείται σε συσσωματώματα ή υλικά με πόρους σε σχήμα σχισμής (slit-like). Η4. Εδώ, σε αντιδιαστολή με τον τύπο Η1, οι καμπύλες προσρόφησης-εκρόφησης παραμένουν σχεδόν παράλληλες αλλά οριζόντιες σε μεγάλο εύρος μερικών πιέσεων. Αποδίδονται σε πόρους με σχήμα σχισμής (slit-like), αλλά επειδή η ισόθερμος είναι μάλλον τύπου Ι, σχετίζονται περισσότερο με την ύπαρξη μικροπόρων (σε αντίθεση με τον τύπο Η3) [108][2] [47]. Σε πολλά πορώδη υλικά, και ειδικά αυτά που περιέχουν μικροπόρους είναι δυνατόν οι βρόγχοι υστέρησης να συνεχίζονται έως τις χαμηλότερες τιμές σχετικών πιέσεων (διακεκομμένες γραμμές του Sχήματος 2.4). Σε αυτήν την περίπτωση η εκρόφηση του εναπομένοντος αερίου είναι δυνατή μόνο σε υψηλότερες θερμοκρασίες απαέρωσης [108]. Σχήμα 2.4: Διάφοροι τύποι βρόγχων υστέρησης για μεσοπορώδη υλικά [107] 46

57 Η θεωρία της προσρόφησης σε μία επιφάνεια αναπτύχθηκε από τον Langmuir. Αυτός θεώρησε ότι η προσρόφηση ανταποκρίνεται σε μια δυναμική ισορροπία μεταξύ του αερίου και του της στερεής επιφάνειας, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός επιφανειακού στρώματος, πάχους ενός μορίου. Οι Brunnauer, Emmett και Teller (ΒΕΤ) επέτειναν αυτή την θεωρία και εισήγαγαν τη θεωρία της προσρόφησης πολλαπλών μοριακών στρωμάτων δίνοντας μια εξίσωση που φέρει το όνομά τους και περιγράφει τη σχέση μεταξύ του όγκου ενός αδρανούς αερίου (π.χ. Ν2) που προσροφάται σε κάθε μερική πίεση και του όγκου που απαιτείται για μονομοριακή κάλυψη της επιφάνειας ενός προσροφητικού: P: η μερική πίεση του προσροφημένου αερίου P O : η τάση ατμών του στη θερμοκρασία του πειράματος V: ο όγκος του προσροφημένου αερίου σε πίεση P V m : ο όγκος του προσροφημένου αερίου που απαιτείται για μονομοριακή κάλυψη της επιφάνειας του προσροφητικού C: σταθερά και ίση με: exp Q 1 και Q 2 : η θερμότητα προσρόφησης και η λανθάνουσα θερμότητα υγροποίησης του προσροφημένου αερίου, αντίστοιχα R: η παγκόσμια σταθερά των αερίων T: η απόλυτη θερμοκρασία διεξαγωγής του πειράματος [103] Η εξίσωση BET εκφράζεται στην γραμμική της μορφή (y=ax+b, με x=p/p 0 ) από την οποία η γραμμή BET είναι ευθεία. Αυτό συμβαίνει με πολύ καλή ακρίβεια στην περιοχή 0.05 P/P 0 0.3, όταν η ισόθερμος προσρόφησης είναι του τύπου II ή IV. Από την κλίση της ευθείας και την τεταγμένη επί την αρχή, υπολογίζονται οι παράμετροι V m και C. Στη συνέχεια με τη βοήθεια της σχέσης: SSA = υπολογίζεται η ειδική επιφάνεια του μεσοπορώδους υλικού (SSA). Στην παραπάνω σχέση με σ συμβολίζεται η διατομή του μορίου του αζώτου (16.2 Å2), με Ν Α ο αριθμός του Avogadro, με V M ο γραμμομοριακός όγκος των αερίων και με m η μάζα του μεσοπορώδους υλικού που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα [103]. 47

58 Οι ειδικές επιφάνειες των καταλυτών στην παρούσα εργασία, προσδιορίζονται με τη μέθοδο ΒΕΤ, με προσρόφηση αζώτου (Ν 2 ) στους 77Κ. Για τη λήψη έγκυρων αποτελεσμάτων, πριν την εφαρμογή της μεθόδου, πραγματοποιείται προκατεργασία των στερεών στους 250 o C υπό κενό για 18 h για την απομάκρυνση υγρασίας και τυχόν άλλων προσροφημένων ουσιών στην επιφάνεια των μορίων. Οι μετρήσεις γίνονται σε ειδική συσκευή Autosorb-1 της Quantachrome στο Εργαστήριο Ανάλυσης και Χαρακτηρισμού Στερεών στο Ινστιτούτο Χημικών Διεργασιών (Ι.Τ.ΧΗ.Δ.) του Ε.Κ.Ε.Τ.Α στη Θεσσαλονίκη Τεχνική περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) Οι ακτίνες Χ (Röntgen, 1895) είναι ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία µήκους κύµατος λ ~ m και παράγονται µε βοµβαρδισµό ενός µετάλλου από δέσµη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας. Η επιβράδυνση της δέσµης κατά τη συνάντησή της µε το µέταλλο παράγει ένα συνεχές φάσµα ακτινοβολίας πεδήσεως στο οποίο κυριαρχούν κάποιες οξείες κορυφές. Οι κορυφές αυτές οφείλουν την ύπαρξή τους στις συγκρούσεις των προσπιπτόντων ηλεκτρονίων µε τα µεταλλικά στοιχεία κατά τις οποίες αποµακρύνονται ηλεκτρόνια χαµηλής ενέργειας από το περιβάλλον των πυρήνων. Οι κενές θέσεις πληρώνονται από ηλεκτρόνια υψηλότερης ενέργειας µε ταυτόχρονη εκποµπή της πλεονάζουσας ενέργειας µε τη µορφή ακτινοβολίας. Εάν η ηλεκτρονιακή θέση που πληρώνεται είναι η Κ στοιβάδα (n=1) οι ακτίνες Χ καλούνται Κ-ακτινοβολία. Παρόµοια, για µεταπτώσεις στην L (η=2) και Μ (n=3) στοιβάδα, έχουµε L και Μ ακτινοβολία αντίστοιχα [103]. 48 Σχήμα 2.5: Φυσική αναπαράσταση του νόµου του Bragg [103] Κατά την ίδια περίοδο περίπου άρχισε να µορφοποιείται η ιδέα στην

59 επιστηµονική κοινότητα ότι τα άτοµα σε ένα κρυσταλλικό στερεό είναι διευθετηµένα στις θέσεις ενός πλέγµατος, σε µια κατά κανονικά διαστήµατα επαναλαµβανόµενη διάταξη. Μάλιστα η εκτιµώµενη απόσταση µεταξύ των ατόµων θεωρήθηκε ότι ήταν στην περιοχή των Å (1Å=10-10 m). Συνδυάζοντας τις δύο αυτές ιδέες ο Max von Laue πρότεινε το 1912 ότι θα ήταν δυνατό ένας κρύσταλλος να αποτελέσει ένα είδος τρισδιάστατου φράγματος περίθλασης ακτίνων Χ. Ένας ιδανικός κρύσταλλος αποτελείται από άτοµα τα οποία είναι διευθετηµένα στις τρείς διαστάσεις του χώρου κατά ένα κανονικό και επαναλαµβανόµενο τρόπο ορίζοντας κρυσταλλικά επίπεδα που χαρακτηρίζονται από τους δείκτες Miller(hkl). Εποµένως, µια δέσµη ακτίνων Χ θα µπορούσε να υποστεί σκέδαση από τα µεµονωµένα άτοµα ενός κρυστάλλου ενώ τα σκεδασθέντα κύµατα θα µπορούσαν να συµβάλλουν όπως συµβάλλουν τα φωτεινά κύµατα από ένα φράγµα περίθλασης. Έτσι αν ακτίνες Χ αν πέσουν σε ένα επίπεδο ατόµων µε γωνία πρόσπτωσης θ, οι ακτίνες θα διαπεράσουν τα στρώµατα των ατόµων και θα δώσουν την απεικόνιση τους (Σχήµα 2.5). Η εξίσωση του Bragg δείχνει τις γωνίες θ στις οποίες θα συµβάλλουν και θα βρίσκονται στην ίδια φάση ακτίνες-χ, µήκους κύµατος λ που έχουν υποστεί περίθλαση σε άτοµα ενός κρυσταλλικού πλέγµατος, στο οποίο τα παράλληλα κρυσταλλικά επίπεδα έχουν µεταξύ τους απόσταση d. Η απαίτηση για συµβολή εκφράστηκε από τον Bragg και η µαθηµατική έκφραση αυτής δίνεται από την ακόλουθη σχέση, η οποία είναι γνωστή ως νόµος του Bragg: n 2d sin όπου n ένας ακέραιος αριθµός και καλείται τάξη ανάκλασης, λ το µήκος κύµατος των ακτίνων-χ (Ǻ) (για τον σίδηρο είναι Κα= 1.93 Ǻ και για τον χαλκό είναι Κα= Ǻ), d η κάθετη απόσταση µεταξύ των επιπέδων των ατόµων και θ η συµπληρωµατική της γωνίας πρόσπτωσης. Από τη συγκεκριµένη εξίσωση είναι φανερό ότι η γωνία περίθλασης εξαρτάται από την απόσταση των δικτυωτών επιπέδων για την αντίστοιχη κρυσταλλογραφική διεύθυνση. ιαφορετικές οµάδες επιπέδων σε ένα πλέγµα έχουν διαφορετικές τιµές της µεταξύ τους απόστασης. Η απόσταση d(hkl) µεταξύ δύο επιπέδων µετρηµένη σε ορθή γωνία µε τα επίπεδα, εξαρτάται από τους δείκτες Miller (hkl) του επιπέδου και τις σταθερές πλέγµατος της µοναδιαίας κυψελίδας. Η ακριβής σχέση εξαρτάται από το κρυσταλλογραφικό σύστηµα [103]. 49

60 Το αποτέλεσµα µιας µέτρησης XRD είναι ένα διάγραµµα που απεικονίζει την ένταση των ακτίνων-χ συναρτήσει της γωνίας 2θ. Σε ορισμένες γωνίες λαµβάνει χώρα αύξηση της έντασης της ανακλώµενης δέσµης και σχηµατίζονται κορυφές. Αυτές οι γωνίες ονομάζονται γωνίες Bragg και εξαρτώνται από το είδος της κυψελίδας και τις σταθερές της, ενώ η ένταση των κορυφών εξαρτάται από τις θέσεις των ατόµων. Αυτό σηµαίνει ότι κάθε ακτινογράφηµα είναι µοναδικό για συγκεκριµένο κρυσταλλικό υλικό και κατ επέκταση αυτή η µοναδικότητα χρησιµοποιείται για την ταυτοποίηση άγνωστων υλικών [103]. Μέθοδος Κόνεως (Debye- Scherrer) Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιείται η μέθοδος κόνεως (Debye Scherrer). Στη μέθοδο αυτή ο κρύσταλλος αλέθεται σε σκόνη, έτσι ώστε να αποτελείται από μικρούς (της τάξεως μερικών μm), κόκκους με τυχαίους προσανατολισμούς. Αυτό σημαίνει ότι για μονοχρωματική ακτινοβολία εδώ, κάθε κόκκος θα δώσει σύμφωνη σκέδαση για συγκεκριμμένες γωνίες. Θα συμπεριφέρεται δηλαδή σαν ανεξάρτητος κρύσταλλος. Όμως τυχαία θα υπάρχουν αρκετές ομάδες κόκκων με τον ίδιο πάντα προσανατολισμό. Στη μέθοδο αυτή όμως ως σημείο αναφοράς για τις γωνίες πρόσπτωσης θ λαμβάνεται η εξωτερική επιφάνεια του δείγματος. Έτσι όταν οι ακτίνες Χ προσπίπτουν στο δείγμα με συγκεκριμμένη γωνία τότε μόνον οι κόκκοι οι οποίοι τυχαία συμβαίνει να έχουν παράλληλα με την επιφάνεια εκείνα τα επίπεδα ισαπόστασης d, ώστε για την γωνία πρόσπτωσης θ να επαληθεύεται η εξίσωση Bragg λ=2dsinθ θα δώσουν σήμα (ανάκλαση). Η ανάκλαση αυτή (για την συγκεκριμένη γωνία) θα προέρχεται μόνον από την ομάδα επιπέδων τα οποία είναι παράλληλα με την επιφάνεια του δείγματος. Καθώς το δείγμα θα περιστρέφεται θα ελθουν άλλες ομάδες επιπέδων (άλλοι κόκκοι) σε θέση ώστε τα νέα επίπεδα να δώσουν ανάκλαση. Έτσι θα έχουμε ανακλάσεις για πολλά επίπεδα πάντα βέβαια σε διαφορετικές γωνίες. Πόσα επίπεδα θα έχουμε εξαρτάται από το πλήθος των κόκκων στους οποίους έχει θρυμματισθεί κατά τη άλεση ο αρχικός κρύσταλλος. Αν είχαμε ενιαίο μονοκρύσταλλο και μονοχρωματική ακτινοβολία θα παίρναμε μία μόνον ανάκλαση εφόσον περιστρέφαμε τον κρύσταλλο μόνο κατά έναν άξονα. Αν έχουμε μια μονοχρωματική δέσμη, ανεξάρτητα από την γωνία με την οποία προσπίπτει στο δείγμα, πάντα θα υπάρχουν ορισμένοι κόκκοι με τον κατάλληλο προσανατολισμό ώστε να ικανοποιούν την συνθήκη Bragg και να δώσουν έτσι σύμφωνη σκέδαση. Στη μέθοδο της σκόνης έχουμε μεταβολή της γωνίας μεταξύ της προσπίπτουσας και της 50

61 σκεδασμένης δέσμης (2θ). Ένα συγκεκριμένο επίπεδο μπορεί να έχει οποιοδήποτε προσανατολισμό. Στην πραγματικότητα έχουμε τέτοια επίπεδα με κάθε δυνατό προσανατολισμό. Συνεπώς ο γεωμετρικός τόπος σκεδαζόμενων δεσμών είναι ένας κώνος με κορυφή το δείγμα και άνοιγμα γωνίας 4θ για καθεμιά από τις γωνίες θετικής συμβολής. Η ταυτοποίηση έγινε σε περιθλασίμετρο ακτινών Χ, τύπου Siemens D500, χρησιμοποιώντας δέσμη μονοχρωματικής ακτινοβολίας Cu Kα (λ=1,54 Å), με εύρος γωνιών 2-85 ο και ταχύτητα σάρωσης 0,04 ο /s. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Ανάλυσης και Χαρακτηρισμού Στερεών του Ι.Τ.ΧΗ.Δ. στη Θεσσαλονίκη. Οι αποστάσεις d που προκύπτουν από την ανάλυση XRD είναι χαρακτηριστικές για κάθε κρυσταλλική δομή και με βάση αυτές γίνεται η ταυτοποίηση των κρυσταλλικών ενώσεων. Παράλληλα, είναι εφικτός ο υπολογισμός πλεγματικών παραμέτρων όπως το είδος του κρυσταλλικού συστήματος και της σταθεράς μοναδιαίας κυψελίδας (α). Τα υλικά που μελετώνται κρυσταλλώνονται στο κυβικό σύστημα, όπως και το NiO που παρουσιάζεται ως καταλύτης αναφοράς και για αυτά ισχύει η εξίσωση με τους δείκτες Miller (hkl): 1 h k l 2 2 d Το μέγεθος των κρυσταλλιτών στα καταλυτικά υλικά υπολογίζεται από το πλάτος των κορυφων περίθλασης στα αντίστοιχα ακτινογραφήματα XRD. Η εξίσωση Scherrer μας δίχνει την συσχέτιση της μέσης διαμέτρου με το πλάτος των κορυφών που έχουν στο ήμιση του ύψους τους: t ( ) Όπου: t: μέση διάμετρος κρυσταλλιτών Κ: σταθερά (μεταξύ 0,9 και 1,1) λ: μήκος κύματος ακτινοβολίας 51

62 β: διαπλάτυνση των γραμμών διάθλασης των ακτινών Χ γωνιακό πλάτος στο μέσο της κορυφής β ο : διαπλάτυνση των γραμμών διάθλασης που προκαλούνται από το όργανο και τη μέθοδο [110] Θερμοπρογραμματιζόμενη αναγωγή με υδρογόνο (TPR-H2) Η τεχνική της θερμοπρογραμματιζόμενης αναγωγής αποτελεί μια μέθοδο που εφαρμόζεται ευρέως για τον χαρακτηρισμό των αναγωγικών ιδιοτήτων καταλυτικών συστημάτων. Συγκεκριμένα, στη μέθοδο TPR ο καταλύτης που ερευνάται εκτίθεται σε αναγωγική ροή (συνήθως Η 2 ) που ρέει συνεχώς στον αντιδραστήρα, ενώ η θερμοκρασία αυξάνεται με σταθερό ρυθμό. Η διαφορά της συγκέντρωσης του αναγωγικού αερίου στην είσοδο και την έξοδο του αντιδραστήρα μετράται σαν συνάρτηση του χρόνου χρησιμοποιώντας συνήθως είτε ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας είτε, όπως στην παρούσα μελέτη, φασματογράφο μάζας [83]. Η διαδικασία για τα πειράματα θερμοπρογραμματιζόμενης αναγωγής περιλάμβανε προκατεργασία του καταλυτικού δείγματος (50mg) υπό ροή (10%O 2 /He) 50cm 3 /min για 0.5h στους 450 C και ακολούθως ψύξη στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η ογκομετρική παροχή της τροφοδοσίας (5% Η 2 σε He) ήταν 50cm 3 /min, ενώ η θερμοκρασία αυξανόταν γραμμικά με ρυθμό θέρμανσης 10 C/min από τους 30 στους 800 C. Τέλος, γινόταν συνεχής ανάλυση του ρεύματος εξόδου από τετραπολικό φασματογράφο μάζας (Omnistar, Balzers), με καταγραφή των ακόλουθων λόγων (μάζας/φορτίο): H 2 =2, H 2 O=18 και He= 4. Η ποσοτική ανάλυση των καμπύλων αναγωγής έγινε υπολογίζοντας τη μετατροπή του υδρογόνου σε κάθε θερμοκρασία Τ με βάση το λόγο των σημάτων H 2 /He, χρησιμοποιώντας το ήλιο ως εσωτερικό πρότυπο [83]: Μετατροπή H 2 = 1 ( ) ( ) Οι μετρήσεις της θερμοπρογραμματιζόμενης ανάλυσης πραγματοποιούνται σε ειδικά σχεδιασμένη, πλήρως αυτοματοποιημένη εργαστηριακή μονάδα ταχείας απόκρισης του Εργαστήριου Πετροχημικής Τεχνολογίας του Τμήματος Χημικών Μηχανικών, στο Α.Π.Θ.. Ο έλεγχος της μονάδας πραγματοποιείται μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή χρησιμοποιώντας το λογισμικό ελέγχου μονάδων Genie 52

63 14 cm 0.4 cm 0.9 cm 0.28 cm 2 cm 0.5 cm 1cm l;l Advantech.Τα πειράματα θερμοπρογραμματιζόμενης ανάλυσης πραγματοποιούνται σε αντιδραστήρα σχήματος U κατασκευασμένο από χαλαζία, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.7. Ο αντιδραστήρας είναι εξοπλισμένος με θερμοστοιχείο, τοποθετημένο αξονικά σε ειδική υποδοχή, για τη μέτρηση της θερμοκρασίας στο κέντρο της καταλυτικής κλίνης. Μια πορώδης φρίτα συγκολλημένη στα τοιχώματα του αντιδραστήρα χρησιμοποιείται για να συγκρατεί Σχήμα 2.6: Αντιδραστήρας U την καταλυτική κλίνη. Ο αντιδραστήρας βρίσκεται σταθερής κλίνης [1] τοποθετημένος σε ηλεκτρικά θερμαινόμενο φούρνο (Instrom SFL), η θερμοκρασία του οποίου ελέγχεται και ρυθμίζεται από προγραμματιζόμενο ρυθμιστή θερμοκρασίας (Eurotherm). Η έξοδος του αντιδραστήρα συνδέεται μέσω ενός θερμαινόμενου τριχοειδούς συστήματος εισαγωγής με ένα τετραπολικό φασματογράφο μάζας (Omnistar, Balzer) για τη συνεχή (on-line) ανάλυση του ρεύματος εξόδου. Η απεικόνιση της μονάδας ταχείας απόκρισης παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.8. Σχήμα 2.7: Σχεδιάγραμμα πειραματικής μονάδας ταχείας απόκρισης 53

64 2.3 Αξιολόγηση καταλυτών NiO στην αντίδραση οξειδωτικής αφυδρογόνωσης αιθανίου (ODH) Τα πειράματα αξιολόγησης της καταλυτικής συμπεριφοράς των υλικών στην αντίδραση οξειδωτικής αφυδρογόνωσης αιθανίου (ODH), πραγματοποιήθηκαν σε μονάδα δοκιμασίας καταλυτών του Εργαστηρίου Πετροχημικής Τεχνολογίας του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του ΑΠΘ. Στη μονάδα αυτή, αξιολογούνται οι καταλύτες τόσο για την ενεργότητα τους όσο και για την εκλεκτικότητα τους στο επιθυμητό προϊόν. Επίσης εξετάζεται η επίδραση των συνθηκών λειτουργίας στην καταλυτική συμπεριφορά. Η πειραματική εργαστηριακή μονάδα παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.8. Η μονάδα αποτελείται από το τμήμα τροφοδοσίας, το τμήμα αντίδρασης και το τμήμα ανάλυσης. Στο τμήμα τροφοδοσίας υπάρχουν οι παροχές των αντιδρώντων αερίων, 20.7%C 2 H 6 /He, Ο 2 και του αραιωτικού He, από τις φιάλες αερίων. Μέσω κατάλληλων ηλεκτρονικών ρυθμιστών ροής μάζας (Brooks 5850Ε) επιτυγχάνεται η επιθυμητή ροή. Στο τμήμα αντίδρασης, τα αέρια αναμιγνύονται σε μια κεντρική γραμμή και οδηγούνται στον αντιδραστήρα, που βρίσκεται τοποθετημένος σε ηλεκτρικά θερμαινόμενο φούρνο. Η θερμοκρασία του φούρνου ελέγχεται και καθορίζεται από από τρεις ρυθμιστές θερμοκρασίας (PID controllers), τοποθετημένους στο πάνω, μεσαίο και κάτω μέρος του φούρνου και τρία αντίστοιχα θερμοστοιχεία (TIC1, TIC2, TIC3). Ο πρώτος και τελευταίος ρυθμιστής θερμοκρασίας, σε όλα τα πειράματα που γίνονται, προγραμματίζονται ώστε να βρίσκονται σε θερμοκρασία 320 ο C ενώ ο μεσαίος ρυθμιστής είναι αυτός που καθορίζει την επιθυμητή θερμοκρασία του πειράματος και το σημείο λειτουργίας του αλλάζει κάθε φορά. Η αντίδραση πραγματοποιείται σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης κατασκευασμένο από χαλαζία με εσωτερική διάμετρο 9 mm ενώ τα τμήματα πριν και μετά την καταλυτική κλίνη έχουν διάμετρο 4 mm για την ελαχιστοποίηση του κενού όγκου και κατά συνέπεια της έκτασης των ομογενών αντιδράσεων αέριας φάσης. Αξονικά μέσα στον αντιδραστήρα υπάρχει θήκη για το θερμοστοιχείο (thermowell) ώστε να καταγράφεται το θερμοκρασιακό προφίλ καθ όλη τη διάρκεια του πειράματος σε όλο το μήκος της κλίνης του καταλύτη. Μία πορώδης φρίτα (ύψους 2 mm) συγκολλημένη στα τοιχώματα του αντιδραστήρα χρησιμοποιείται για τη στήριξη 54

65 της καταλυτικής κλίνης. Σε κάθε πείραμα καταλυτικά σωματίδια αναμιγνύονταν με ισοβαρή ποσότητα σωματιδίων χαλαζία έτσι ώστε να εξασφαλιστεί η ισοθερμοκρασιακή λειτουργία και να αποφευχθεί η δημιουργία περιοχών υψηλής θερμοκρασίας (hot spots). Ενδείξεις για την πίεση του αντιδραστήρα λαμβάνονταν από μανόμετρο τοποθετημένο πάνω στην κεντρική γραμμή, πριν από την είσοδο του αντιδραστήρα. Τα αέρια κατά την εξοδό τους από τον αντιδραστήρα ψύχονται στους 0-2 ο C έτσι ώστε να συμπυκνωθούν και να συγκρατηθούν στον υποδοχέα το νερό και οι τυχόν οργανικές ενώσεις σχετικά μεγάλου μοριακού βάρους που μπορεί να σχηματίζονται. Απεικόνιση του αντιδραστήρα φαίνεται στο Σχήμα 2.9. Σχήμα 2.8: Διάταξη μονάδας αξιολόγησης καταλυτικής συμπεριφοράς Σχήμα 2.9: Μικρογραφία αντιδραστήρα ODH 55

66 Στο τμήμα ανάλυσης, είναι συνδεδεμένος αέριος χρωματογράφος Perkin Elmer Autosystem XL, με ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας (thermal conductivity detector TCD). Για το διαχωρισμό των προϊόντων στο χρωματογράφο, χρησιμοποιούνται δύο στήλες τοποθετημένες σε σειρά. Η στήλη Porapak διαχωρίζει τα αέρια C 2 H 6, C 2 H 4 και CO 2 και η στήλη MS 5A για την ανάλυση των O 2, N 2, και CO Πειράματα αξιολόγησης ενεργότητας καταλύτη Η αξιολόγηση της ενεργότητας του καταλύτη γίνεται υπό σταθερή ροή αντιδρώντων και το μεταβαλλόμενο μέγεθος είναι η θερμοκρασία. Ο καταλύτης (0.4g) κονιοποιείται και αναμιγνύεται με ίση ποσότητα χαλαζία, προς αποφυγή τοπικών θερμοκρασιακών μεταβολών και επίτευξη ισοθερμοκρασιακής λειτουργίας της κλίνης. Η προετοιμασία του δείγματος για την πειραματική δοκιμασία γίνεται υπό ροή 50 cm 3 /min μίγματος 10%Ο 2 /He στους 450 ο C για 30 min προς απομάκρυνση ανεπιθύμητων ουσιών και υγρασίας που βρίσκονται στον καταλύτη. Αφήνεται να ψυχθεί στην επιθυμητή θερμοκρασία αντίδρασης και εισάγονται τα αέρια προϊόντα σύστασης 10%C 2 H 6 /5%O 2 /He. Η ροή εξόδου του αντιδραστήρα οδηγείται στον αέριο χρωματογράφο όπου αναλύεται και με τους κατάλληλους υπολογισμούς προκύπτει η μετατροπή του αιθανίου, ο ρυθμός αντίδρασης και η εκλεκτικότητα του αιθυλενίου με βάση τα προϊόντα άνθρακα. Η θερμοκρασία του αντιδραστήρα αυξάνεται ανά 25 ο C μέχρι τους 450 ο C και για κάθε θερμοκρασία λαμβάνονται τουλάχιστον δύο χρωματαγραφήματα του ρεύματος εξόδου. Αξίζει να σημειωθεί ότι κατά τη διεξαγωγή του πειράματος, δίνεται προσοχή ώστε η μετατροπή του Ο 2 να μην ξεπερνά το ~90% καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, για να αποτραπούν αναγωγικές αντιδράσεις μεταξύ του καταλύτη και του C 2 H Πειράματα αξιολόγησης εκλεκτικότητας προς αιθυλένιο Για την αξιολόγηση του καταλύτη ως προς την εκλεκτικότητα προς C 2 H 4, γίνονται πειράματα σε σταθερή θερμοκρασία στους 350 ο C ή 400 ο C, ενώ μεταβάλλεται ο λόγος μάζας του καταλύτη προς την τροφοδοσία W/F ανάμεσα σε g.s/cm 3 είτε μεταβάλλοντας την ποσότητα του καταλύτη είτε τις ροές των 56

67 αντιδρώντων αερίων. Ο καταλύτης ( g) εισάγεται στον αντιδραστήρα με χαλαζία, και έπειτα λαμβάνει χώρα η προετοιμασία. Αφήνεται να ψυχθεί μέχρι τους 350 ο C ή 400 ο C όπου και παραμένει για όλη τη διάρκεια του πειράματος. Η συνολική ροή μεταβάλλεται στην περιοχή cm 3 /min με σύσταση 10%C 2 H 6 /5%O 2 /He και γίνεται ανάλυση του ρεύματος εξόδου σε κάθε ροή. Η μετατροπή και η εκλεκτικότητα των καταλυτών σε κάθε ανάλυση, υπολογίζεται με βάση τις εξισώσεις: F -F io i x= i F io S= i nf i i nf i i Όπου: Χ i : μετατροπή αιθανίου F i,o, F i : γραμμομοριακή παροχή συστατικού i στην είσοδο και έξοδο του αντιδραστήρα S i : εκλεκτικότητα προϊόντος i n i : αριθμός ατόμων άνθρακα στο προϊόν Οι συνθήκες που επικρατούν στα πειράματα ενεργότητας και εκλεκτικότητας των καταλυτών φαίνονται στον Πίνακα Πίνακας 2.4: Πειραματικές συνθήκες πειραμάτων αξιολόγησης καταλυτών Πείραμα ενεργότητας καταλύτη Πείραμα αξιολόγησης εκλεκτικότητας αιθυλενίου Θερμοκρασία ( o C) Ροή αντιδρώντων (ml/min) Βάρος καταλύτη (gr) W/F (g.s/cm 3 ) ,

68 3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μελέτης των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των καταλυτών οξειδίου του νικελίου που παρασκευάστηκαν μέσω εφαρμογής σκληρού εκμαγείου με τη μέθοδο Hard Templating, καθώς και της καταλυτικής συμπεριφοράς των υλικών αυτών στην αντίδραση οξειδωτικής αφυδρογόνωσης του αιθανίου. 3.1 Αποτελέσματα Χαρακτηρισμού Στοιχειακή ανάλυση ICP Τα βασικά φυσικοχημικά και η ονοματολογία των καταλυτικών υλικών που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο σκληρού εκμαγείου παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.1. Από την στοιχειακή ανάλυση ICP παρατηρείται ότι η περιεκτικότητα σε Ni έχει σχετικά μικρή απόκλιση από την ονομαστική. Το γεγονός αυτό καταδεικνύει τον επιτυχημένο εμποτισμό της πρόδρομης ένωσης του οξειδίου του νικελίου σε όλους καταλύτες. Ως επί το πλείστον οι καταλύτες στους οποίους έχει αφαιρεθεί το καλούπι/template περιέχουν μικρές προσμίξεις νατρίου της τάξης των ppm. Οι μικρές αυτές ποσότητες νατρίου προέρχονται από την ατελή απομάκρυνση των υπολειμμάτων του διαλύματος καυστικού νατρίου NaOH, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την απομάκρυνση του πυριτικού εκμαγείου. 58

69 Πίνακας 3.1: Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των καταλυτών Kαταλύτες Μέθοδος σύνθεσης Καλούπι/ template NiO Απευθείας πύρωση πρόδρομης ένωσης NiΟ/KIT-1-17-B 1 KIT-6 ICP (wt%) Ni Na Κρυσταλλικές Φάσεις (XRD) Σταθερά πλέγματος, α (Å) Μέγεθος κρυστάλλου (nm) NiO (13.4) - NiO, SiO NiO/KIT KIT NiO, SiO NiΟ/KIT-1-68-B 1 KIT-6 NiΟ/KIT KIT-6 NiΟ/KIT-2-68-B 2 KIT-6 NiΟ/KIT KIT-6 NiO/MCM-2-68-B 2 MCM (53.6) 90.5 (78.6) 59 (53.6) 84.9 (78.6) 54.5 (53.6) - NiO, SiO NiO NiO, SiO NiO NiO, SiO NiO/MCM MCM-41 0 NiO NiO/MCM-2-17-B 2 MCM-41 NiO/MCM MCM (13.4) 80.3 (78.6) - NiO,SiO NiO

70 3.1.2 Πειράματα περίθλασης ακτίνων-χ Στο Σχήμα 3.1 παρουσιάζονται τα ακτινογραφήματα ακτίνων-χ σε μικρές γωνίες για τα μεσοπορώδη υλικά MCM-41 και KIT-6. ΤΟ MCM-41 παρουσιάζει ανακλάσεις σε γωνίες τυπικές της εξαγωνικής δομής των πόρων σε γωνίες 2θ=2-6 ο, ενώ για το KIT-6 οι αντίστοιχες χαρακτηριστικές ανακλάσεις της δομής του λαμβάνονται σε γωνίες μικρότερς από 2 ο. Στο Διάγραμμα 3.1 παρουσιάζονται τα ακτινογραφήματα XRD σε μικρές γωνίες για τα προδρομα καταλυτικά υλικά NiO/MCM-2-68 και NiO/MCM Όπως φαίνεται, και στα δύο υλικά, διατηρείται η δομή του MCM-41 μετά τον εμποτισμό του NiO. Έτσι, η εξαγωνική εσοπορώδης δομή του MCM-41 παρέμεινε ανεπηρέαστη κατά την αιώρηση του υλικού σε υδατικό διάλυμα, την εξάτμιση του νερού και την πύρωση στους 450 ο C. Στο υλικό NiO/MCM-2-68-B οι χαρακτηριστικές ανακλάσεις του MCM-41 εμφανίζουν μειωμένη ένταση, γεγονός που αναμενόταν αφού στο υλικό αυτό, η μεσοπορώδης πυριτία βρίσκεται σε ποσοστό 32% κατά βάρος. Αξίζει να σημειωθεί ότι το περιθλασίμετρο που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη έσει εύρος γωνιών 2-85 o και για τον λόγο αυτό δεν ήταν δυνατός ο χαρακτηρισμός των πρόδρομων υλικών NiO που παρασκευάστηκαν με τη χρήση του μεσοπορώδους ΚΙΤ-6 ως εκμαγείου. MCM-41 Σχήμα 3.1: Ακτινογραφήματα περίθλασης ακτίνων-χ για τα μεσοπορώδη υλικά MCM-41 [17] και ΚΙΤ-6 [111] Για την ταυτοποίηση των κρυσταλλικών φάσεων στα καταλυτικά υλικά πραγματοποιήθηκαν πειράματα περίθλασης ακτίνων-χ σε μεγάλες (2θ=5-80 ο ) γωνίες για όλους τους καταλύτες και τα αντίστοιχα ακτινογραφήματα παρουσιάζονται στο Διάγραμμα 3.2 Για λόγους σύγκρισης παρατίθενται τα αντίστοιχα αποτελέσματα και στοιχεία για τα τον καταλύτη NiO που παρασκευάστηκε μέσω απευθείας πύρωσης της 60

71 πρόδρομης ένωσης νιτρικού νικελίου. Το δείγμα αυτό του οξειδίου του νικελίου κρυσταλλώνεται σε κυβική εδροκεντρωμένη δομή σύμφωνα με το πρότυπο JCPDS με χαρακτηριστικές κορυφές στις γωνίες ανάκλασης 2θ 37 ο, 43 ο, 63 ο, 75 ο και 79 ο. Διάγραμμα 3.1: Ακτινογραφήματα ακτίνων-χ σε μικρες γωνίες για τα πρόδρομα καταλυτικά υλικά NiO/MCM-2-17-B και NiO/MCM-2-17-B Όπως φαίνεται στο Διάγραμμα 3.2 όλα τα πρόδρομα καταλυτικά υλικά (πριν την απομάκρυνση του πυριτικού εκμαγείου) εμφανίζουν κορυφές στις χαρακτηριστικές γωνίες του NiO, δείγμα του ότι το οξείδιο του νικελίου κρυσταλλώνεται στην επιφάνεια του πυριτικού υποστρώματος, ακόμη και στην περίπτωση της χαμηλής φόρτισης σε NiO. Έτσι, τα σωματίδια του οξειδίου του νικελίου κρυσταλλώνονται σε σχετικά μεγάλους κρυστάλλους, όπως επιβεβαιώνεται από τα αποτελέσματα της ανάλυσης Sherrer για τον υπολογισμό του μεγέθους των σωματιδίων που αναλύεται στις επόμενες παραγράφους. Ανάλογα αποτελέσματα αναφέρονται στη βιβλιογραφία για καταλύτες NiO στηριγμένους σε MCM-41 [112] και KIT-6 [113]. Παράλληλα, όλα τα πρόδρομα καταλυτικά υλικά, η μεγάλη ευρεία κορυφή στην περιοχή των o οφείλεται στην παρουσία της μεσοπορώδους άμορφης πυριτίας. Η ίδια ευρεία κορυφή, μικρότερης βέβαια έντασης, είναι εμφανής και στον τελικό καταλύτη NiO/KIT-1-17, λόγω ατελούς απομάκρυνσης του πυριτικού υποστρώματος. Γενικά, μετά την απομάκρυνση του μεσοπορώδους καλουπιού μέσω πλύσεων με καυστικό νάτριο, η δομή του οξειδίου του νικελίου διατηρείται σε όλους τους καταλύτες, γεγονός που υποδηλώνει ότι το διάλυμα NaOH δεν επηρεάζει την ανάπτυξη των 61

72 κρυστάλλων του οξειδίου του νικελίου. Διάγραμμα 3.2: Ακτινογραφήματα ακτίνων-χ, για όλα τα υλικά πριν την απομάκρυνση της σίλικας (Β) και για τους τελικούς καταλύτες Γενικά, παρόλο που οι καταλύτες εμφάνισαν κρυστάλλους NiO, το μέγεθος των υποστηριγμένων σωματιδίων στα πρόδρομα καταλυτικά υλικά- πριν την αφαίρεση τη πυριτίας- και στους τελικούς καταλύτες είναι μικρότερο από τα σωματίδια του απλού καταλύτη NiO, γεγονός που υποδηλώνει την καλή διασπορά του NiO στο πυριτικό εκμαγείο. Ανάλογα με τη μέθοδο παρασκευής και κύρια ανάλογα με το ποσοστό φόρτισης NiO στο πρόδρομο καταλυτικό υλικό (πριν την απομάκρυνση του μεσοπορώδους καλουπιού) παρατηρούνται διαφοροποιήσεις στην ένταση και το πλάτος των κορυφών. Οι διαφοροποιήσεις αυτές αποτελούν ένδειξη σχηματισμού κρυστάλλων διαφορετικού μεγέθους. Η ένδειξη αυτή επιβεβαιώνεται και από τα αποτελέσματα που λαμβάνονται από την εξίσωση Scherrer για το μέγεθος των κρυστάλλων οξειδίου του νικελίου. Συγκεκριμένα, τα καταλυτικά υλικά με την μικρότερη περιεκτικότητα NiO (17%wt) παρουσιάζουν μικρότερο μέγεθος κρυστάλλων και βαθμό κρυσταλλικότητας έναντι των καταλυτών που παρασκευάστηκαν με 68%wt NiO, τα οποία έχουν παρόμοιο μέγεθος κρυστάλλων με αυτών του μη-στηριγμένου καταλύτη NiO. Επίσης, τα πρόδρομα καταλυτικά υλικά NiΟ/KIT-1-17-B και NiO/MCM-2-17-B, που έχουν και τα δύο περιεκτικότητα οξειδίου του νικελίου 17%wt, εμφανίζουν κορυφή στην γωνία 2θ 22 ο που 62