DFT Study of Copper-Nickel (111) Catalyst For Methane Dry Reforming - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

DFT Study of Copper-Nickel (111) Catalyst For Methane Dry Reforming

Étude DFT du catalyseur cuivre-nickel (111) pour le reformage à sec du méthane

Ahmed Omran

Résumé

No one can deny that the increasing energy demand due to world population booming as well as climate change are two major challenges facing humanity in the current century. Climate change phenomenon is basically related to green house gases (GHGs) emissions which result in increasing temperature of earth1. Among GHGs, CO2 is the major contributor in global warming while CH4 is considered a major energy source as the main component of natural gas2,3. Dry reforming of methane (DRM) achieves utilization of both CO2 with CH4 as by producing syngas which -in return- can be converted into more valuable compounds. Thus, DRM is a key subject in both industrial catalysis and environmental research in recent decades4. The applicability of DRM in industry is hindered by its high energy demand and coke formation on catalyst surface which leads to rapid catalyst deactivation5. Nickel is well-know catalyst with activity comparable to those of the expensive and abundant noble metals6. However, pure Ni catalyst can suffer from severe coke formation at the elevated temperatures required for DRM reaction. To reduce coke formation, Ni-bimetallic catalysts are examined as they have shown reasonable activity and reduced carbon deposition7. Several nickel-transition metals bimetallic catalyst showed their potential for coke resistance and improved activity. While the synergetic effects of Co-Ni-bimetallic catalyst is found to be due to its Co oxophilicty8, Ni- Fe catalyst activity is attributed to formation of redox system9. However, Cu behavior of coke resistance and activity enhancement is still not well defined at molecular level at the time of this study7. This study uses DFT (Density Functional Theory) computational methods to evaluate DRM reaction on Ni2Cu (111) bimetallic catalyst. The study will reveal how different species of elementary reactions are adsorbed on catalyst surface, explore the reaction mechanism and investigate the role of atomic oxygen as well as hydroxide species in carbon removal and catalyst stability in presence of Cu in the Ni-Ni network. The results will also explain the most dominant reaction pathway by calculating the activation energy barriers of different elementary reactions and contribute to design of new stable and coke-resistant catalyst that can used for DRM on the industrial scale.
Personne ne peut nier que la demande croissante d’énergie due à l’essor démographique mondial ainsi que le changement climatique sont deux défis majeurs auxquels l’humanité est confrontée au cours de ce siècle. Le phénomène du changement climatique est essentiellement lié aux émissions de gaz à effet de serre (GES) qui entraînent une augmentation de la température de la Terre1. Parmi les GES, le CO2 est le principal contributeur au réchauffement climatique tandis que le CH4 est considéré comme une source d'énergie majeure en tant que composant principal du gaz naturel2,3. Le reformage à sec du méthane (DRM) permet d'utiliser à la fois le CO2 et le CH4 en produisant du gaz de synthèse qui, en retour, peut être converti en composés plus précieux. Ainsi, la DRM est un sujet clé à la fois dans la catalyse industrielle et dans la recherche environnementale au cours des dernières décennies4. L’applicabilité du DRM dans l’industrie est entravée par sa forte demande d’énergie et la formation de coke à la surface du catalyseur, ce qui conduit à une désactivation rapide du catalyseur5. Le nickel est un catalyseur bien connu dont l’activité est comparable à celle des métaux nobles coûteux et abondants6. Cependant, le catalyseur au Ni pur peut souffrir d'une formation importante de coke aux températures élevées requises pour la réaction DRM. Pour réduire la formation de coke, les catalyseurs bimétalliques Ni sont examinés car ils ont montré une activité raisonnable et une réduction des dépôts de carbone7. Plusieurs catalyseurs bimétalliques nickel-métaux de transition ont montré leur potentiel de résistance au coke et leur activité améliorée. Alors que les effets synergiques du catalyseur Co-Ni-bimétallique sont dus à sa Co oxophilie8, l'activité du catalyseur Ni-Fe est attribuée à la formation d'un système redox9. Cependant, le comportement du Cu en matière de résistance au coke et d’amélioration de l’activité n’est toujours pas bien défini au niveau moléculaire au moment de cette étude7. Cette étude utilise des méthodes informatiques DFT (Density Functional Theory) pour évaluer la réaction DRM sur un catalyseur bimétallique Ni2Cu (111). L'étude révélera comment différentes espèces de réactions élémentaires sont adsorbées à la surface du catalyseur, explorera le mécanisme réactionnel et étudiera le rôle de l'oxygène atomique ainsi que des espèces d'hydroxyde dans l'élimination du carbone et la stabilité du catalyseur en présence de Cu dans le réseau Ni-Ni. Les résultats expliqueront également la voie réactionnelle la plus dominante en calculant les barrières énergétiques d'activation de différentes réactions élémentaires et contribueront à la conception d'un nouveau catalyseur stable et résistant au coke pouvant être utilisé pour la DRM à l'échelle industrielle.
Fichier principal
Vignette du fichier
OMRAN-THESIS-2019.pdf (3.03 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04260650 , version 1 (26-10-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04260650 , version 1

Citer

Ahmed Omran. DFT Study of Copper-Nickel (111) Catalyst For Methane Dry Reforming. Chemical engineering. Texas A&M University, 2019. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04260650⟩
24 Consultations
93 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More