Magnetic induction heating of Fe-based heterogeneous catalysts for sustainable production of platform chemicals

Abstract

Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung von Eisen-basierten Materialien mit Doppelfunktion, die bei energieintensiven Reaktionen katalytisch aktiv sind und sich gleichzeitig durch Hystereseverluste auf bis zu 700 °C aufheizen können. Fe wurde auf gängigen mesoporösen Metalloxiden aufgebracht und die Aktivität der Katalysatoren wurde unter induktiver und konventioneller Beheizung untersucht. Die in dieser Arbeit entwickelten Katalysatoren erwiesen sich als aktiv bei der reverse Wassergas-Shift-Reaktion (RWGS), der Dehydrierung von Ethan zur Erzeugung von Ethylen (CO2-EDH) und Ammoniakzerfall zur Freisetzung von H2. Die Bildung von Fe-Phasen während der Reaktion, die im Vergleich zu metallischem Fe und Fe3O4 andere ferromagnetische Eigenschaften aufweisen (wie z. B. Fe3C oder ε-Fe3N), führte zu einer raschen Abkühlung des Katalysatorbetts auf Temperaturen, die für diese Reaktionen ungeeignet waren. Die Bildung solcher Phasen lässt sich durch Legieren von Fe mit Co, durch Redox-Vorbehandlungen zur Stabilisierung von Fe3O4, sowie durch eine Veränderung des chemischen Potenzials der Gasphase verhindern, wodurch die Festkörperthermodynamik benachteiligt wird. Schwache Wechselwirkungen zwischen Metall und Trägermaterial in Zusammenhang mit der geringen Wärmeleitfähigkeit des Trägermaterials führten bei induktiver Erwärmung zur Bildung verschiedener Fe-Phasen, was auf Temperaturgradienten in der Nanoskala hindeutet. Fe3O4 Nanopartikel auf Trägermaterialien zeigten eine hohe Ethylenselektivität und eine stabile Selbsterwärmung in verschiedenen Reaktionsatmosphären sowie bei relativ niedrigen angelegten Feldern. Allerdings machte die niedrige Curie-Temperatur von 580 °C den Einsatz der induktiven Erwärmung für CO2-EDH ungeeignet, da Temperaturen über 600 °C erforderlich sind, um einen signifikanten Umsatz des Eduktes erreichen zu können. Es wird davon ausgegangen, dass die Ergebnisse dieser Dissertation zur Weiterentwicklung der induktiven Erwärmung als Methode zur Elektrifizierung katalytischer Reaktoren unter Verwendung kostengünstiger und reichlich vorhandener Materialien auf Eisenbasis beitragen werden.

This dissertation studies the design of dual-function materials based on iron that are catalytically active for energy-intensive reactions and at the same time able to self-heat via hysteresis losses up to 700 °C. Fe was supported on commonly used mesoporous oxides and the activity of the catalysts was studied under inductive and conventional heating. The catalysts developed in this work were found active in the reverse water-gas shift reaction (RWGS), ethane dehydrogenation to ethylene (CO2-EDH) and NH3 decomposition to release H2. Under reaction conditions, the formation of Fe species with different ferromagnetic properties compared to metallic Fe of Fe3O4 (such as Fe3C or ε-Fe3N) led to a rapid cooldown of the catalytic bed to temperatures unsuitable for these reactions. The formation of such phases may be prevented by alloying Fe with Co, by redox pretreatments stabilising Fe3O4 and by changing the chemical potential of the gas phase to disfavour solid-state thermodynamics. Weak metal-support interactions in combination to poor thermal conductivity of the support led to the formation of different Fe phases with inductive heating that point to the existence of temperature gradients at the microscale. Supported Fe3O4 nanoparticles showed high selectivity to ethylene and stable self-heating in different reaction atmospheres and at relatively low applied fields. However, its low Curie temperature of 580 °C deemed the use of inductive heating unsuitable for CO2-EDH, because temperatures above 600 °C are necessary to achieve significant conversions. The findings of this dissertation are expected to contribute to the maturity of inductive heating as a way to electrify catalytic reactors using cost-effective and abundant Fe-based materials.