Catalytic properties of functionalized polymer-derived ceramics prepared by additive manufacturing

Abstract

Heterogeneous catalysts have to withstand harsh reaction conditions requiring the use of a carrier material which exhibits outstanding thermal and mechanical stability. Polymer derived ceramics meet these requirements and bring the benefits of a broad range in chemical composition, the possibility to introduce metal centres within the material and the opportunity to realize complex, macroporous structures due to their suitability for 3D printing as a shaping technique. In this study, we report on the catalytic performance of polymer derived Ni-SiOC catalysts either produced by wet impregnation or by additive manufacturing of Ni-functionalized SiOC in the CO2 methanation reaction. Polymer derived SiOC was prepared by pyrolytic conversion of a polysiloxane mixed with a silylacrylate at 600-800 °C. The introduction of catalytically active sites was realized by wet impregnation of the SiOC support on the one hand, or by in-situ formation of Ni nanoparticles within the precursor material on the other hand. The catalytic activity of Ni-functionalized SiOC was investigated and compared to the catalytic performance of the conventionally produced impregnated catalysts. Catalysts were further characterized by phase analysis using X-ray powder diffraction (XRD) and determination of the specific surface area by adsorption and desorption of N2 (BET method). Limitations and optimization of the catalytic properties of Ni-functionalized SiOC will be discussed as well as the influence of support modification with La2O3 on impregnated catalysts. It could be shown that impregnated SiOC-supported catalysts show interesting synergies with La2O3.

Heterogene Katalysatoren müssen rauen Reaktionsbedingungen standhalten, was die Verwendung eines Trägermaterials mit hervorragender thermischer und mechanischer Stabilität erfordert. Von Polymeren abgeleitete Keramiken erfüllen diese Anforderungen und bieten die Vorteile eines breiten Spektrums an chemischen Zusammensetzungen, die Möglichkeit, Metallzentren in das Material einzubringen, und die Chance, komplexe, makroporöse Strukturen zu realisieren, da sie sich für den 3D-Druck als Formgebungsverfahren eignen. In dieser Studie berichten wir über die katalytische Leistung von polymeren- Ni-SiOC Katalysatoren, die entweder durch Nassimprägnierung oder durch additive Herstellung von Ni-funktionalisiertem SiOC in der CO2-Methanisierungsreaktion hergestellt wurden. Aus Polymeren abgeleitetes SiOC wurde durch pyrolytische Umwandlung eines mit einem Silylacrylat vermischten Polysiloxans bei 600-800 °C hergestellt. Die Einführung katalytisch aktiver Stellen erfolgte zum einen durch Nassimprägnierung des SiOC-Trägers und zum anderen durch In-situ-Bildung von Ni-Nanopartikeln im Vorläufermaterial. Die katalytische Aktivität von Ni-funktionalisiertem SiOC wurde untersucht und mit der katalytischen Leistung der konventionell hergestellten imprägnierten Katalysatoren verglichen. Die Katalysatoren wurden außerdem durch Phasenanalyse mittels Röntgenpulverdiffraktometrie (XRD) und Bestimmung der spezifischen Oberfläche durch Adsorption und Desorption von N2 (BET-Methode) charakterisiert. Grenzen und Optimierung der katalytischen Eigenschaften von Ni-funktionalisiertem SiOC werden ebenso diskutiert wie der Einfluss der Trägermodifikation mit La2O3 auf imprägnierte Katalysatoren. Es konnte gezeigt werden, dass imprägnierte SiOC-Trägerkatalysatoren interessante Synergien mit La2O3 aufweisen.