High-temperature separation and activation of carbon dioxide by dual-phase membranes and nickel catalysts
| dc.contributor.advisor | Gurlo, Aleksander | |
| dc.contributor.author | Gili de Villasante, Albert | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Schomäcker, Reinhard | |
| dc.contributor.referee | Winnubst, Louis | |
| dc.contributor.referee | Gurlo, Aleksander | |
| dc.date.accepted | 2019-09-26 | |
| dc.date.accessioned | 2020-02-11T14:27:38Z | |
| dc.date.available | 2020-02-11T14:27:38Z | |
| dc.date.issued | 2020 | |
| dc.description.abstract | Carbon dioxide emission mitigation arises as one of the critical challenges for sustainable development and to minimize the negative effects of climate change. Dual-phase (DP) membranes for high-temperature separation of carbon dioxide have been suggested as potential post-combustion capture technology in fossil fuel power plants. Once separated, carbon dioxide can be converted to valuable chemicals by means of, amongst others, heterogeneous catalysis. DP membranes were prepared using two different materials as ceramic skeletons: samarium doped ceria (SDC) and iron and samarium co-doped ceria (FSDC). Magnesium oxide (MgO) was applied as sacrificial template to control the membrane’s porosity. The synthesized powders and resulting membranes were characterized by means of ICP, HSM, powder XRD combined with Rietveld refinement, and SEM/EDX. The carbon dioxide permeability was quantified using a high-temperature membrane permeation setup, which was designed, constructed and operated in the course of this thesis. An improved carbon dioxide permeability of the FSDC-based DP membranes - compared to the SDC-based DP membranes – was due to the previously reported iron scavenging effect on the siliceous impurities of the ceramic skeleton, which resulted in an increase of the oxygen ion conductivity and subsequently in an improvement of the carbon dioxide flux density. Regarding carbon dioxide activation, a 5% Ni/MnO catalyst was synthesized and tested in a fixed-bed plug-flow reactor for the dry reforming of methane (DRM) process. Combination of the catalytic tests with an in Situ high-temperature XRD under controlled gas atmosphere and TEM demonstrated the generation of graphitic nanotubes from methane and the capability of carbon dioxide to oxidize these structures to produce carbon monoxide under specific reaction conditions. Precise observation of the nickel lattice expansion and subsequent contraction during nanotube growth from methane at different temperatures yielded crucial information of the growth mechanism. Carbon resulting from methane decomposition occupies an octahedral interstitial of the cubic nickel and expands its lattice. The different nickel carbide phases detected remain as crystalline face-centered cubic structures at the reaction conditions tested. Combination of the experimental results with DFT/molecular dynamics simulations demonstrate that the main mechanisms of carbon transport from the decomposition sites to the precipitation sites is surface diffusion. | de |
| dc.description.abstract | Die Reduzierung des Kohlenstoffdioxid (CO2)-Ausstoßes stellt eine der zentralen Herausforderungen für eine nachhaltige Entwicklung und Energieproduktion im Zusammenhang mit dem Klimawandel dar. Die Verwendung von dual-phase (DP) Membranen für die Hochtemperaturseparierung von CO2 stellt ein großes Potential im Bereich der Abgasnachbehandlung (post combustion capture technology) in fossilen Brennstoffkraftwerken dar. Einmal separiert, kann CO2 beispielweise mittels heterogener Katalyse zu höherwertigen Chemikalien/Rohstoffen weiterverarbeitet werden. In der vorliegenden Arbeit wurden DP Membranen mit keramischen Trägern aus zwei unterschiedlichen Materialien hergestellt: ein Samarium-dotiertes Ceroxid (SDC) und ein mit Eisen- und Samarium-kodotiertes Ceroxid (FSDC). Eine definierte Porosität der Membran wurde durch die Zugabe von Magnesiumoxid (MgO) eingestellt. Die Materialien und Membranen wurden mittels ICP, HSM, XRD inklusive Rietveldverfeinerung und SEM/EDX analysiert. Die CO2-Permeabilität der DP Membranen wurde in einem Messaufbau bei hohen Temperaturen evaluiert. Dieser Messaufbau wurde im Rahmen dieser Arbeit konstruiert und entwickelt. Im Vergleich zu den SDC basierten Membranen wurde eine erhöhte CO2 Permeabilität für die FSDC-basierten Membranen festgestellt. Grund dafür ist der bereits bekannte Eisen-scavenging Effekt auf die silikatischen Verunreinigungen des keramischen Skeletts, der zu einer erhöhten Sauerstoffionen-Leitfähigkeit und dadurch zu einer verbesserten CO2-Flussdichte führt. Für die CO2-Aktivierung wurde ein Katalysator (5 atom% Ni/MnO) synthetisiert und in einem Festbettreaktor (fixed-bed reactor) für das Dry-Reforming von Methan (DRM) getestet. Mithilfe von TEM Aufnahmen und einer in-situ Hochtemperatur-XRD Technik mittels Synchrotronstrahlung konnte die Bildung graphitischer Kohlenstoffnanoröhren mit zunehmender Katalysatorlaufzeit nachgewiesen werden. Durch geeignete Auswahl der Reaktionsbedingungen konnte die Bildung von Oberflächenkohlenstoff gestoppt und dessen Gehalt sogar reduziert werden. Die genaue Beobachtung der Ausdehnung und Kontraktion des Nickelgitters, während des Wachstums von Kohlenstoffnanoröhren bei verschiedenen Temperaturen, lieferte wertvolle Informationen über die Bildungsmechanismen dieser graphitischen Strukturen. Methan spaltet sich auf Nickeloberflächen in zwei Wasserstoffmoleküle und ein Kohlenstoffatom. Das Kohlenstoffatom diffundiert auf Oktaeder-Zwischengitterplätze des Nickelgitters, was zu einer Ausdehnung des Nickelgitters führt. Die dabei entstandenen unterschiedlichen festen Nickelkarbide wurden als kubisch charakterisiert. Durch Kombination der experimentellen Ergebnisse und DFT/Molekulardynamik-Berechnungen konnte abgeschätzt werden, dass Kohlenstoff vor allem über die Oberfläche bzw. Grenzfläche diffundiert und Volumendiffusion zweitrangig auftritt. | en |
| dc.identifier.eissn | 2569-8338 | |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10488 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9437 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.relation.haspart | 10.3390/membranes9090108 | |
| dc.relation.haspart | 10.1021/acscatal.8b01820 | |
| dc.relation.haspart | 10.1021/acscatal.9b00733 | |
| dc.rights.uri | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 546 Anorganische Chemie | de |
| dc.subject.other | X-ray diffraction | en |
| dc.subject.other | dry reforming of methane | en |
| dc.subject.other | heterogeneous catalysis | en |
| dc.subject.other | carbon nanotubes | en |
| dc.subject.other | Röntgendiffraktometrie | de |
| dc.subject.other | Methan-Trockenreformierung | de |
| dc.subject.other | heterogene Katalyse | de |
| dc.subject.other | Kohlenstoffnanoröhren | de |
| dc.title | High-temperature separation and activation of carbon dioxide by dual-phase membranes and nickel catalysts | en |
| dc.title.translated | Hochtemperaturseparation und -aktivierung von Kohlenstoffdioxid mittels Dualphasenmembranen und Nickelkatalysatoren | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | domain | en |
| tub.affiliation | Fak. 3 Prozesswissenschaften::Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien::FG Keramische Werkstoffe | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 3 Prozesswissenschaften | de |
| tub.affiliation.group | FG Keramische Werkstoffe | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |
| tub.series.issuenumber | 4 | en |
| tub.series.name | Advanced Ceramic Materials | en |