The Study of Preparation of Nano-sized CeO2 by Different Microemulsion Methods

การศึกษาการเตรียมซีเรียมออกไซด์ขนาดนาโนเมตรด้วยวิธีไมโครอิมัลชันที่ต่างกัน

Name: Sunisa Supakanapitak

Name: สุณิสา ศุภคณาพิทักษ์

keyword: Reversed Micelle

Abstract: Nano-sized CeO2 particles were prepared by three different types of emulsion such as reversed micelle (RM), emulsion liquid membrane (ELM), and colloidal emulsion aphrons (CEAs). Ammonium cerium nitrate and polyoxyethylene-4-laurylether (PE4LE) were used as cerium and surfactant source in this study. The precursor was calcined at 500 ํC to obtain CeO2. The effect of the preparation method on the average particle size, surface area, percent yield and the morphology of the prepared powders were investigated. The obtained powders were highly crystalline, nearly spherical shape. The average particle size and the specific surface area of the powders from the three methods were in the range of 4-10 nm and 5.32-145.73 m the power of 2/g, respectively. The CeO2 powders synthesized by CEAs were the smallest average particle size, the highest surface area, and yield, therefore this method was selected to produce nano-sized CeO2 in the next experiment. Then, the effects of cerium source, surfactant type, calcination temperature, and water content on the particles synthesized by using CEAs were investigated. The synthesized sample was characterized by XRD, BET, TGA, and TEM. It was found that all cerium sources and surfactants produced crystalline CeO2 nanoparticles after being calcined at 450 ํC. The average particle size and specific surface area were in the range of 5-7 nm and 138.8 - 154.8 m the power of 2/g, respectively. The surface tension of a cerium solution has slightly effect on the particle size of CeO2. Comparison of three different nonionic surfactants, it was found that the average particle size decreased with increasing hydrocarbon (hydrophobic group) chain length of surfactant. When ionic surfactant was used the average particle size of CeO2 was smaller than nonionic surfactant. Increasing calcination temperature increased crystallinity and growth of particle size but decreased the specific surface area. Moreover, increasing water content decreased the final particle of CeO2. In the study of methane steam reforming on synthesized CeO2 was studied. It was found that the conversion of CH4 was 18.6%. The quantity of carbon deposited on the CeO2 surface was 0.05 mmol/g. In the final experiment, improvements of stability and activity toward methane steam reforming of CeO2 by loaded Ni on CeO2 was examined with three different procedures: (I) impregnated CeO2 (from CEAs preparation) into Ni(NO3)2 solution (10 wt.% Ni), (II) impregnated CeO2 (from CEAs preparation) into colloidal emulsion aphrons of Ni, and (III) added an external water phase containing cerium solution and nickel solution into CEAs preparation. It was found that Ni/CeO2 prepared by method II showed high hydrogen consumption and methane conversion, therefore this method was considered suitable for catalyst preparation. In addition, improvement of thermal stability of Ni/CeO2 particle was investigated by adding ZrO2. It was found that the addition of ZrO2 to CeO2 provided higher surface area than pure CeO2, which means the increasing of the thermal stability. The synthesized catalysts were tested in the methane steam reforming at 900 ํC and the performances were compared. At steady state, it was found that the conversion of CH4 of CeO2, CeO2- ZrO2, Ni/CeO2, and Ni/CeO2-ZrO2 was 18.9, 24.7, 71.3 and 81.5%, respectively. The quantities of carbon deposited on the Ce02, CeO2-ZrO2, Ni/CeO2, and Ni/CeO2-ZrO2 surface was 0, 0.12, 0.14, and 0.08 mmol/g, respectively. The results showed that the great advantage of Ni on CeO2 based supports demonstrate higher reforming reactivity and also the higher stability due to their excellent resistance toward carbon formation at high temperature compared with pure CeO2. These benefits were related to the high oxygen storage capacity (OSC) of high surface area Ce-ZrO2 support.

Abstract: การเตรียมซีเรียมออกไซด์ขนาดนาโนเมตร สามารถเตรียมด้วยวิธีไมโครอิมัลชันที่แตกต่างกัน 3 วิธี คือ รีเวอร์สไมเซลล์ อิมัลชันลิควิคเมมเบรน และคอลลอดอยอิมัลชันแอฟรอน โดยใช้แอมโมเนียม ซีเรียมไนเตรตเป็นแหล่งซีเรียม และโพลีออกซีเอทีลีนลอริลอีเธอร์เป็นสารลดแรงตึงผิว จากนั้นทำ การเผาที่อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส เพื่อให้ได้เป็นอนุภาคซีเรียมออกไซด์ ในส่วนนี้จะศึกษาผลของ วิธีในการเตรียมที่ต่างกันต่อขนาดของอนุภาค ปริมาณพื้นที่ผิว ผลได้ และลักษณะของซีเรียมออกไซด์ จากผลการวิเคราะห์ พบว่าอนุภาคซีเรียมออกไซด์ที่เตรียมได้จากทั้งสามวิธีให้อนุภาคที่มีความเป็น ผลึกสูงรูปร่างคล้ายทรงกลม โดยมีขนาดอนุภาคเฉลี่ย 4-10 นาโนเมตร และปริมาณพื้นที่ผิว 5.32- 145.73 ตารางเมตรต่อกรัม ซึ่งซีเรียมออกไซด์ที่เตรียมได้จากวิธีคอลลอดอยอิมัลชันแอฟรอน นั้นให้ ขนาดอนุภาคเฉลี่ยเล็กที่สุด ให้ปริมาณพื้นที่ผิวและมีผลได้มากที่สุด ดังนั้นจึงเลือกวิธีคอลลอดอย อิมัลชันแอฟรอนในการสังเคราะห์ซีเรียมออกไซด์ให้ได้ขนาดนาโนเมตรในขั้นตอนต่อไป ในส่วนที่สองนี้จะทำการเตรียมซีเรียมออกไซด์โดยวิธีคอลลอดอยอิมัลชันแอฟรอน โดยศึกษาผลของ แหล่งซีเรียมที่ใช้ ชนิดของสารลดแรงตึงผิว อุณหภูมิในการเผาและปริมาณน้ำที่ใช้ ที่มีผลต่อขนาด อนุภาคและปริมาณพื้นที่ผิวของซีเรียมออกไซด์ที่เตรียมได้ โดยอนุภาคที่เตรียมได้จะนำไปวิเคราห์ ด้วยเทคนิคต่างๆ ดังนี้ XRD, BET, TGA และ TEM จากการวิเคราะห์พบว่าซีเรียมออกไซด์ที่เตรียม จากทุกแหล่งซีเรียมและสารลดแรงตึงผิวจะให้ซีเรียมออกไซด์ขนาดนาโนเมตรเมตรที่มีความเป็นผลึก สูงหลังจากเผาที่อุณหภูมิ 450 องศาเซลเซียส ขนาดอนุภาคเฉลี่ยอยู่ในช่วย 5-7 นาโนเมตรและมี ปริมาณพื้นที่ผิวอยู่ในช่วง 138.8 - 154.8 ตารางเมตรต่อกรัม นอกจากนี้ยังพบว่าแรงตึงผิวของ สารละลายซีเรียม (แหล่งซีเรียม) มีผลเพียงเล็กน้อยต่อขนาดอนุภาคซีเรียมออกไซด์ เมื่อเปรียบเทียบ การใช้สารลดแรงตึงผิวชนิดไม่มีประจุที่ต่างกัน พบว่าขนาดอนุภาคเฉลี่ยของซีเรียมออกไซด์จะลดลง เมื่อความยาวของสายไฮโดรคาร์บอนยาวขึ้น แต่เมื่อในารสดแรงตึงผิวชนิดมีประจุพบว่าขนาด อนุภาคเฉลี่ยที่ได้จะมีขนาดเล็กกว่าเมื่อเทียบกับสารลดแรงตึงผิวชนิดไม่มีประจุ การเพิ่มอุณหภูมิใน การเผาเป็นการเพิ่มความเป็นผลึกและขนาดให้กับอนุภาคแต่จะทำให้ปริมาณพื้นที่ผิวลดลง สำหรับ การเพิ่มปริมาณน้ำในการทดลองจะทำให้ขนาดของอนุภาคเฉลี่ยเพิ่มขึ้นด้วย ซีเรียมออกไซด์ที่เตรียม ได้จะถูกนำไปทดสอบเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาการปฏิรูปมีเทนด้วยน้ำ ผลการทดลองพบว่าให้ ค่าคอนเวอร์ชันของมีเทนเท่ากับ 18.6 เปอร์เซ็นต์ และมีปริมาณคาร์บอนเกาะอยู่บนผิวซีเรียมออกไซด์ 0.05 มิลลิโมลต่อกรัม ส่วนสุดท้ายได้ทำการพัฒนาและปรับปรุงความมีเสถียรภาพและความสามารถในการทำปฏิกิริยาใน กระบวนการปฏิรูปมีเทนด้วยน้ำของซีเรียมออกไซด์โดยการเติมนิเกลซึ่งเป็นโลหะที่ว่องไวบนผิว ซีเรียมออกไซด์ ซึ่งได้ทำการศึกษาการเตรียมนิเกลบนซีเรียมออกไซด์ (Ni/CeO2) ด้วยวิธีที่ต่างกันดังนี้ (1) จุ่มอนุภาคซีเรียมออกไซด์ที่เตรียมได้จากตอนที่ 1 ลงในสารละลายนิเกิลไนเตรต (2) จุ่มซีเรียม ออกไซด์ที่เตรียมได้จากจากตอนที่ 1 ลงในฟองคอลลอยดอยอิมัลชันแอฟรอนของนิเกล และ (3) เติมวัฏภาคภายนอกซึ่งประกอบด้วยสารละลายซีเรียมและสารละลายนิเกิลลงในขั้นตอนการเตรียม แบบคอลลอยดอยอิมัลชันแอฟรอน จากผลการทดลองพบว่า Ni/CeO2 ที่เตรียมได้จากวิธีที่ (2) ได้ แสดงให้เห็นปริมาณการใช้ไฮโดรเจนและคอนเวอร์ชันมากที่สุดในการเข้าทำปฏิกิริยากระบวนการ ปฏิรูปมีเทนด้วยน้ำ ดังนั้นจึงเลือกใช้วิธีที่ (2) ในการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาในขั้นตอนต่อไป จากนั้นทำ การพัฒนา Ni/Ceo2 โดยการเติมเซอร์โคเนียมออกไซด์ (ZrO2) เพื่อเพิ่มความเสถียรเมื่อใช้ใน กระบวนการที่มีอุณหภูมิสูง จากผลการวิเคราะห์ก็พบว่าเมื่อเติมเซอร์โคเนียมออกไซด์เข้าไปในซีเรียม ออกไซด์แล้วนั้นทำให้ได้ปริมาณพื้นที่ผิวที่ได้มีค่าสูงขึ้น นั่นหมายความเป็นการเพิ่มความมี เสถียรภาพทางด้านความร้อนเพิ่มขึ้นด้วยนั่นเอง สุดท้ายตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมได้ทั้งหมดจะถูกนำไป ทดสอบด้วยปฏิกิริยาปฏิรูปมีเทนด้วยน้ำที่อุณหภูมิ 900 ํC โดยพบว่าค่ามีเทนคอนเวอร์ชัน CeO2, CeO2-ZrO2, Ni/CeO2-ZrO2 คือ 18.9, 24.7, 71.3 และ 81.5 เปอร์เซ็นต์ตามลำดับ และ ปริมาณคาร์บอนบนผิวตัวรองรับ CeO2, CeO2-ZrO2, Ni/CeO2 และ Ni/Ceo2-ZrO2 คือ 0, 0.12, 0.14 และ 0.08 มิลลิโมลต่อกรัม ตามลำดับ จากผลการทดลองพบว่าข้อดีของการเติมนิเกิลลงบน ซีเรียมออกไซด์ซึ่งเป็นตัวรองรับนั้นทำให้ผลของการปฏิรูปมีเทนด้วยน้ำที่สูงขึ้นมากกว่าการใช้ตัว รองรับซีเรียมออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพียงอย่างเดียว และการใช้ตัวรองรับที่เป็นออกไซด์ร่วม ระหว่างซีเรียมออกไซด์และเซอร์โคเนียมออกไซด์ก็ให้ผลของการปฏิรูปมีเทนที่สูงขึ้นเช่นกัน

King Mongkut's University of Technology Thonburi. KMUTT Library

Address: BANGKOK

Email: info.lib@mail.kmutt.ac.th

Name: Somnuk Jarudilokkul

Role: Advisor

Created: 2011

Modified: 2012-09-26

Issued: 2012-08-03

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

CallNumber: CHE2266

eng

DegreeName: Doctor of Engineering

Level: Doctoral Degree

Descipline: Chemical Engineering

Grantor: King Mongkut's University of Technology Thonburi

©copyrights King Mongkut's University of Technology Thonburi

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	CHE2266.pdf	1.19 MB	16	2019-10-30 23:02:48
2	CHE2266ab.pdf	39.74 KB	5	2016-06-08 18:39:21

ใช้เวลา

0.032189 วินาที