IEA AFC Annex 31: The effect of microscopic phenomena on the performance of iron-based oxygen carriers of chemical looping hydrogen production (2023)
Bibliographische Daten
Fabio Blaschke, Marjan Bele, Brigitte Bitschnau und Viktor HackerHerausgeber: Elsevier, Applied Catalysis B: Environmental, 327, 2023
Englisch, 17 Seiten
Inhaltsbeschreibung
In der hier beschriebenen Arbeit wurde ein Reaktionsaufbau von Sauerstoffträgern (OC) in einem festen Gewichtsverhältnis von Fe2O3-Pulver stabilisiert mit Trägermaterial im Gewichtsverhältnis von 80:20 Gew.-% hergestellt. Für die Synthese des Sauerstoffträgers wurde die Methode des mechanischen Mischens verwendet.
Als Abkürzung für die OC-Mischung wurde Fe2O3 mit dem jeweiligen Trägermaterial im Gewichtsverhältnis von 80:20 Gew.-% verwendet: 1 µm Al2O3, 50 µm Al2O3, TiO2, ZrO2, ZrO2 +CaO, YSZ3, YSZ8, YSZ10 und ZrO2 +MgO. Die pelletierten Sauerstoffträgerproben mit einem Durchmesser von 2-4 mm wurden in einem Hochleistungsmischsystem mit destilliertem Wasser hergestellt. Nach der Granulierung wurde der Sauerstoffträger 6 Stunden lang an der Luft bei 900 °C thermisch behandelt.
Detaillierte Materialstudien ergaben, dass Trägermaterialien auf der Basis von Al2O3 und TiO2 zu einer deutlichen Verringerung der spezifischen Wasserstoffproduktion führen, was auf die Bildung einer nicht reaktiven Nebenverbindung mit dem aktiven Eisen zurückzuführen ist, die durch XRD nachgewiesen wurde.
Bei der Verwendung von ZrO2 sind die Reduktion und Oxidation aufgrund seiner chemischen Inertheit gegenüber dem aktiven Eisen höher. Darüber hinaus weist Zirkoniumoxid eine ausgezeichnete Oberflächenmorphologie auf. Unterschiede wurden beim Einfluss der ZrO2-Dotierung festgestellt.
Die Dotierstoffe Y2O3 und MgO haben einen positiven Einfluss, während CaO die Leistung verringert. Das Phänomen der Dotierung von ZrO2 mit einem anderen Erdalkali zeigt, dass MgO zur Bildung von kleinen Eisenkristallen führt. Calcium hingegen versintert die Oberfläche des Sauerstoffträgers. Die Freisetzung von Wasserstoff mit Wasserdampf wird somit in ZrO2 +CaO stabilisierten Materialien behindert.
Eine Vorauswahl beim Material-Screening im Hinblick auf das Scale-up in Chemical-Looping-Technologien wird in Zukunft zu berücksichtigen sein. Daher sollten neue geeignete Trägermaterialien entwickelt werden, die nicht nur chemisch inert sind oder eine gute Morphologie aufweisen, um ein erfolgreiches Upscaling zu erreichen.
Darüber hinaus sollten die Kristallphasen zum aktiven Material passen, und polymorphe Umwandlungen werden eine grundlegende Rolle bei der Stabilisierung des aktiven Fe3O4/Fe-Materials in einem chemischen Festbett-Looping für eine effiziente grüne Wasserstoffproduktion spielen.