Synthesis & Characterization of Au-promoted NiMo/Al2O3 Catalysts

Abstract

The phasing out of fossil fuels continues to be of great importance if our society is to complete the green transition. One of the most interesting alternatives to fossil fuels is bio-fuels but these have not been shown to outperform fossil fuels in all areas, as of yet. This is especially true in applications that require high performance and have high safety standars, such as the aviation industry. To improve the performance of bio-fuels one looks to their upgrading and in thisthe Hydrodeoxygenation reaction (HDO) is an important step. The HDO reaction is a catalyzed reaction that removes oxygen from the biomass and produces variety of organic compounds. The removal of oxygen from the fuel feedstock improves its’ combustion efficiency and is therefore of great importance. To catalyze the HDO reaction Nickel-Molybdenum supported on Al2O3 is used. Lately, there have been research into further promotion of these catalysts, in the hope of developing new properties which could enhance the HDO reaction in both selectivity, efficiency and reaction temperature. Along the same lines of thought, gold has also shown interesting catalytic properties in other catalysts as a promotor. The promotion of NiMo/Al2O3 with gold is therefore interesting.
Au-promoted Ni, Mo and NiMo catalysts supported on Al2O3 were all synthesized with a incipient wetness method (IWI). This was followed by measurements off their reduction characteristics with temperature programmed reduction (TPR), pore measurements by N2-physisorption using the Brunnauer-Emmett-Teller method (BET) and surface imaging and quantification with Scanning Electron Microscopy – Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDX). It was found that by dividing the gold impregnation into three parts, relatively good Au dispersion on the support was acquired. It was also shown that gold does impact the reduction characteristics of NiMo/Al2O3 even at low Au-loadings, leading to some MoO3 being reduced at lower temperatures compared to the unpromoted catalyst. In conclusion, gold was shown to have promising properties as a catalyst promoter which further studies would shed light on.

Popular Abstract (Swedish)

För att samhällets gröna omställning ska fortgå behövs det fortfarande ett bra alternativ till råolja. Ett hållbart alternativ som undersöks är bioolja. Bioolja framställs till skillnad från råolja med biomassa som råmaterial. För att bränsle med bra kvalitet ska tillverkas av detta så måste biomassan uppgraderas i flera steg i bioraffinaderier. Ett av dessa steg innehåller en katalytisk hydrodeoxygeneringsreaktion, som ofta förkortas till HDO.
HDO-reaktionen separerar syre från resten av biomassan vilket leder till en lägre syrehalt i slutprodukten. Borttagningen av syre innebär att det slutliga bränslet får bättre förbränningsegenskaper och är därmed en viktig del i dess framställning. Reaktionen är katalyserad av en Nickel-Molybden katalysator (NiMo). Katalysatorer är delaktiga i en reaktion men förbrukas inte av den, och en bra katalysator kan sänka aktiveringsenergin och samtidigt höja reaktionshastigheten. I reaktioner där flera produkter är vanliga, så kan en väl utformad katalysator ändra selektiviteten av dessa produkter. NiMo katalysatorer är effektiva, relativt billiga och tåliga, vilket betyder att de inte behöver ersättas så ofta i storskalig produktion. På grund av deras vikt för biobränsleproduktionen, har det gjorts försök att ytterligare förbättra dessa katalysatorer med tillsättning av ytterligare metaller, så kallade ”dopanter”.
En metall som visat intressanta resultat i andra katalysatorer som dopant är guld. Guld (Au) är den ädlaste metallen och därmed svår att jobba med, men små guld nanopartiklar har visats ha intressanta katalytiska egenskaper. I denna studien så syntetiserades därmed Au-dopade katalysatorer, specifikt undersöktes, Au-Nickel, Au-Molybden och till sist Au-NiMo. Genom att undersöka alla dessa var förhoppningen att se effekten av guld på de olika metallerna för att bättre kunna dra en generell slutsats om guld som dopant. Ett ytterligare mål för studien var utvecklingen av en syntesmetod för dessa katalysatorer och under studiens gång modifierades denna vilket förbättrade syntesen av den slutliga Au-NiMo katalysatorn.
Katalysatorerna undersöktes först med Temperature-Programmed-Reduction (TPR), där katalysatorerna utsätts för ett väteflöde samtidigt som temperaturen stiger. Detta ger en bra indikation av materialets katalytiska kapacitet samt dess temperaturberoende. Brunnauer-Emmett-Teller (BET) analys användes för att undersöka porerna. BET-analys utsätter katalysatorn för ett kväve flöde vid 77K medan trycket varierar. Detta ger inblick i hur gas kondenserar och avdunstar från materialets yta samt hur mycket. Sist användes SEM-EDX för att kvantifiera mängden metal på katalysatorn. Guld visades ha en effekt på reduktionen av katalysatorn, först med en guldreducering till metalliskt guld följt av en påverkan av reduktionen av nickel och molybden. Vid höga temperaturer sågs även en påverkan av den andra reduktionen molybdenoxid till metallisk molybden. Guld antas påverka reduceringen både strukturellt med nickel men även separat genom att själv binda till sig vätgas. Sammanfattningsvis så visade sig guld förbättra reduktionen av katalysatorerna vid både låga och höga temperaturer.

• author: Ekberg, Karl
• supervisor: Sara Blomberg
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: Catalysis, Chemical Engineering, Hydrodeoxygenation
• language: English
• id: 9215947
• date added to LUP: 2025-12-16 15:18:44
• date last changed: 2025-12-16 15:18:44