Kim Sang-Hwan;Kim Jae-Sik;Yang Hee-Sung;Y Vu Trinh Nhu;Park Hyung-Sang
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.23
no.1
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pp.64-73
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2007
The catalytic activity of transition metals (Cu, Co, Mn, Fe and Ni) supported on ${\gamma}-Al_2O_3$ for the oxidation of toluene was investigated in the microreactor of fixed-bed type. The catalytic activity of transition metals for the oxidation of toluene turned out to be increasing in the order of Ni$Cu/{\gamma}-Al_2O_3$ catalysts for the oxidation of toluene increased with the increasing loadings of copper, reached the maximum activity at 5% loadings of copper, and decreased with higher loadings of copper in the catalysts. The activity of $Cu/{\gamma}-Al_2O_3$ catalysts for the oxidation of toluene decreased with the increasing calcination temperatures. This might result from the decreasing surface area of catalysts due to the sintering of copper oxide as well as ${\gamma}-Al_2O_3$ supports. The 5wt% $Cu/{\gamma}-Al_2O_3$ catalysts calcined at $400^{\circ}C$ for 4 hrs in the air showed the highest activity for the oxidation of toluene. Mutual inhibition was observed for the binary mixture of toluene and xylene. The activity of the easy-to-oxidize toluene was greatly decreased while the difficult-to-oxidize xylene was slightly decreased in the binary mixture of toluene and xylene. It might suggest that the inhibition of toluene and xylene in the binary mixture resulted from the competitive adsorption for the adsorbed oxygen on the catalytic surface.
Proceedings of the Korean Environmental Sciences Society Conference
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2005.05a
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pp.284-285
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2005
Ni/${\gamma}$-Al$_{2}$O$_{3}$의 촉매능 향상을 위하여 고에너지의 전자빔을 사용하여 처리한 후 촉매반응과 표면상태 변화를 관찰하였다. XRD와 XPS 분석 결과로부터 전자빔 처리된 촉매에서 표면의 상대적인 O/Ni의 비가 감소되고 Ni의 산화상태가 변화하였음을 관찰하였다. 2MeV의 준위에서 600 kGy의 선량으로 전자빔을 조사한 촉매에서 가장 높은 전환율과 수득율을 보임으로써 고준위 고선량의 전자빔 처리가 촉매능 향상에 유리함을 알 수 있었다.
The oxidation of NiAl(110) was investigated in the temperature regime between 300K and 1300 K using LEED (low energy electron diffraction), TPD (temperature programmed desorption) and HREELS (high resolution electron energy loss spectroscopy). The adsorption of N2O and O2 up to reconstructions. Stepwise annealing of the oxygen-saturated sample from 600 K to 1300K in UHV (ultra-high vacuum,) results in firstly the onset of randomly oriented then finally fairly well-ordered. 5 ${\AA}$ Al2O3 film with quasi-hexagonal periodicity. Ordered thicker oxide films of 18-30 ${\AA}$ seem to be grown on this interfacial oxide layer by direct oxidation of sample at elevated temperature between 1150 and 1300 K because of the LEED pattern consisting of new broad hexagonal spots and the previous 5 ${\AA}$ spots. Although the periodicity of surface oxygen arrays shows no significant change from an hexagonal close-packing, the O-O distance changes from ∼3.0 ${\AA}$ film to ∼2.9 ${\AA}$ for thicker oxides. with the appearance of Auger parameter, for the 5${\AA}$ film can be described better as an interfacial oxide layer. The observation of three symmetric phonon peaks can be also a supporting evidence for this phase assignment since thicker oxide films on the Same Ni2Al3(110) show somewhat different phonon structure much closer to that of the ${\gamma}$-Al2O3. The adsorption/desorption of methanol further proves the preparation of less-defective and/or oxygen-terminated Al2O3 films showing ordered phase transitions with the change of oxide thickness between 5 ${\AA}$ to 30 ${\AA}$.
Steam reforming (SR) of glycerol, a main by-product of manufacturing process of bio-diesel, for the production of hydrogen was investigated over the Ni-based catalysts. The Ni-based catalysts were prepared by an impregnation method, and characterized by $N_2$ physisorption, CO chemisorption, XRD and TEM techniques. It was found that the Ni/${\gamma}-Al_2O_3$ catalyst showed higher conversion and catalytic stability for the carbon formation than the other catalysts in the steam reforming of glycerol under the tested conditions. The results suggest that the steam reforming of glycerol over modified Ni/${\gamma}-Al_2O_3$ catalyst minimized carbon formation can be applied in hydrogen station for fuel-cell powered vehicles and fuel processor for stationary and portable fuel cells.
The $SnO_2$ with a particle size of about 300 nm instead of Ni is used in this study to overcome rapid catalytic deactivation by the formation of a $NiAl_2O_4$ spinal structure on the conventional Ni/${\gamma}$-$Al_2O_3$ catalyst and simultaneously impregnated the catalyst with potassium (K). The $SnO_2-K_2O$ impregnated Zeolite Y catalyst ($SnO_2-K_2O$/ZY) exhibited significantly higher ethanol reforming reactivity that that achieved with $SnO_2$ 100 and $SnO_2$ 30 wt %/ZY catalysts. The main products from ethanol steam reforming (ESR) over the $SnO_2$-$K_2O$/ZY catalyst were $H_2$, $CO_2$, and $CH_4$, with no evidence of any CO molecule formation. The $H_2$ production and ethanol conversion were maximized at 89% and 100%, respectively, over $SnO_2$ 30 wt %-$K_2O$ 3.0 wt %/ZY at 600 $^{\circ}C$ for 1 h at a $CH_3CH_2OH:H_2O$ ratio of 1:1 and a gas hourly space velocity (GHSV) of 12,700 $h^{-1}$. No catalytic deactivation occurred for up to 73 h. This result is attributable to the easier and weaker of reduction of Sn components and acidities over $SnO_2-K_2O$/ZY catalyst, respectively, than those of Ni/${\gamma}$-$Al_2O_3$ catalysts.
Activity improvement of Ni metal catalysts for carbon dioxide reforming was studied using HY-zeolite as the main supporter. As the reaction temperature increased, $CH_4$ and $CO_2$ conversions increased, and conversions higher than 80% was obtained above $700^{\circ}C$. As the Ni loading increased, the catalyst activity increased, and the highest activity was shown for the Ni loading of 13wt%. The HY-zeolite support showed the highest intial conversions of $CH_4$ and $CO_2$, but it showed faster deactivation than a ${\gamma}-Al_2O_3$ support. Nevertheless, it maintained the $CH_4$conversion higher than 80% after 24 hr reaction. The effect of promoters such as Mg, Mn, K, and Ca was also studied. It was observed that the Mg promotor exhibited the highest catalyst activity and less deactivation compared with Mn, K and Ca. After 24hr reaction, The optimum Mg content was found to be 5wt%.
Carbon dioxide reforming of methane on Ni/γ-Al2O3 catalyst was studied. A new 10 wt% Ni/γ-Al2O3 catalyst prepared by the liquid phase oxidation method (L10O) exhibited much higher activity as well as resistances to both sintering and coke formation during the reaction than the catalyst prepared by the conventional impregnation method (D10). The electrically strong attractive interaction between nickel and support during the liquid phase oxidation process and the resultant high nickel dispersion made the L10 have superior activity and stability to the D10. To elucidate the results, the experiments with nickel catalysts on the other supports as well as 7-AI203 were performed. The effect of sodium as a promoter was also studied.
For the $CO_2$ reforming of $CH_4$, Ni catalyst was supported on La-hexaaluminate or on $\gamma$-$Al_2O_3$. The catalytic activities of Ni/La-hexaaluminate catalysts were measured at $700^{\circ}C$ using gas chromatography (GC) for 72 h, and the reaction was maintained up to 72 hfor the investigation of catalyst deactivation. The surface of each catalyst after 72 h reaction was investigated using SEM and TEM, and the composition of the carbon deposits was investigated by using EA, TPO and TGA. Ni/La-hexaaluminate shows higher resistance to coke deposition than conventional Ni/$Al_2O_3$ which seems to be due to strong interaction between Ni and the support material. As a result of the reforming reaction, various types of carbon deposits were created on catalyst surface and the amounts of them were much smaller in the case of La-hexaaluminate than on $Al_2O_3$.
Solar reforming of methane with $CO_2$ was successfully tested with a direct irradiated absorber on a parabolic dish capable of $5kW_{th}$ solar power. The new type of catalytically activated metallic foam absorber was prepared, and its activity was tested. Ni was applied as the active metal on the gamma - alumina coated Ni metal foam for the preparation of the catalytically-activated metal foam layer. Compared to conventional direct irradiation of the catalytically-activated ceramic foam absorber, this new metallic foam absorber is found to exhibit a superior reaction performance at the relatively low insolation or at low temperatures. In addition, unlike direct irradiation of the catalytically-activated ceramic foam absorber, metallic foam absorber has better thermal resistance, which prevents the emergence of cracks caused by mechanical or thermal shock. The total solar power absorbed reached up to 2.1kW and the maximum $CH_4$ conversion was almost 40%.
The interaction of oxygen with the ordered $Ni_3Al(111)$ alloy surface at 800 K and 1000 K has been investigated using LEED, STM, HREELS, UPS, and PAX. The clean $Ni_3Al(111)$ surface exhibits a "$2{\times}2$" LEED pattern corresponding to the ordered bulk-like terminated surface structure. For an adsorption of oxygen at 800 K, LEED shows an unrelated oxygen induced superstructure with a lattice spacing of $2.93\;{\AA}$ in addition to the ($1{\times}1$) substrate spots. The combined HREELS and the UPS data point to an oxygen chemisorption on threefold aluminum sites while PAX confirms an islands growth of the overlayer. Since such sites are not available on the $Ni_3Al(111)$ surface, we conclude the buildup of an oxygen covered aluminum overlayer. During oxygen exposure at 1000 K, however, we observe the growth of ${\gamma}'-Al_2O_3$ structure on the reordered $Ni_3Al(111)$ substrate surface. This structure has been identified by means of HREELS and STM. The HREELS data will show that at 800 K the oxidation shows a very characteristic behavior that cannot be described by the formation of an $Al_2O_3$ overlayer. Moreover, the STM image shows a "Strawberry" structure due to the oxide islands formation at 1000 K. Conclusively, from the oxygen interaction with $Ni_3Al(111)$ alloy surface at 800 K and 1000 K an islands growth of the aluminum oxide overlayer has been found.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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