Spectroscopic investigation of palladium catalysts during wet methane oxidation

Doctoral thesis, 2019

En viktig del i strävan emot hållbara energisystem och oberoende av fossila energislag är att skapa hållbara transporter. Detta medför att vi står inför svåra men nödvändiga utmaningar som i grunden kräver en omställning från dagens fossil-baserade bränslen till förnybara bränsleslag för att nå klimatmål om minskade koldioxidutsläpp. Redan idag har vi i Sverige en betydande andel biodiesel och biogas i bränslemixen för drivmedel. Både natur- och biogas, som till största del består av metan, är fördelaktiga bränslen jämfört med exempelvis fossil diesel. Vid förbränning levererar gas mer nyttig energi per utsläppt koldioxid samt ger i förhållandevis låga utsläpp av kväveoxider och partiklar. En betydande nackdel är att metan är en stark växthus-gas med en global uppvärmningspotential som är ungefär 80 gånger högre än koldioxid räknat över en 20-årsperiod. Detta ställer höga krav på minskade utsläpp av metan. Att utnyttja den mest effektiva tekniken, det vill säga katalytisk avgasefterbehandling, för att minska metanutsläppen är dock särskilt svårt eftersom metan är det minst reaktiva kolvätet samt att dagens katalysatorer är känsliga för vattenånga som finns i betydande mängder i avgaserna. Granskar man de senaste 10 till 15 årens utveckling av oxidationskatalysatorer för biogastillämpningar, där i huvudsak traditionella ”trial-and-error”-metoder använts, finner man en svag utveckling jämfört med den snabba teknologiutveckling som skett inom till exempel katalytisk rening av kväveoxider. Det är tydligt att ny grundläggande forskning behövs för att avancera framsteg inom området. 

Den här avhandlingen syftar till att skapa grundläggande förståelse av hur vatten påverkar palladiumbaserade oxidationskatalysatorer för biogastillämpningar. Vatten-ångans inverkan på oxidation av metan över dels enskilda katalysatorkomponenter och dels modellkatalysatorer med ökande komplexitet har studerats i detalj genom avancerade spektroskopiska metoder under reaktionsförhållanden. Med utgångspunkt från denna kunskap har nya katalysatorkoncept med betydligt lägre känslighet mot vatten formulerats, tillverkats och testats under realistiska förhållanden.

Resultaten visar att uppbyggnaden av hydroxylgrupper på katalysatorns yta under oxidation av metan i torra, men framförallt våta gassammansättningar har en stark negativ effekt på dess katalytiska aktivitet. Växelverkan mellan bärarmaterial och aktiv fas har även visat sig vara en viktig aspekt att ta hänsyn till. Palladiumpartiklarna bör varken vara för små eller för stora för att balansera vattentålighet mot nyttjande av den dyra ädelmetallen. Avslutningsvis poängteras att användandet av vattenavstötande bärarmaterial kan vara en viktig framkomlig väg i utvecklingen av fullformulerade katalysatorer för oxidation av metan med hög tolerans mot vatten i realistiska förhållanden.