Photocatalytic microreactor for the production of hydrogen

Abstract

L'objectiu d'aquest projecte de màster és la producció d'hidrogen (H2) a partir de mescles que contenen aigua i etanol (relació molar H2O:C2H5OH=9:1) mitjançant un procés fotocatalític amb nanopartícules de metall/TiO2. La reacció heterogènia sòlid-líquid-gas es va dur a terme en un microreactor d'acer inoxidable operat en continu, utilitzant dues plaques catalítiques, una amb 16 microcanals i una altre amb 32 microcanals, i a més una font LED de 365 nm. En el desenvolupament del projecte es van realitzar diferents experiments. En primer lloc, es va realitzar la interacció sòlid-gas fent servir un bombollejador que contenia aigua i etanol, amb un cabal de gas de 20 ml/min. A continuació, es va realitzar l'experiment en fase sòlid-líquid-gas, on el líquid (aigua i etanol) va ser introduït per la part de dalt i baixava per acció de la gravetat i les forces capil·lars. En aquest experiment el gas es va posar en contra-corrent i es van utilitzar diferents cabals de gas i líquid per poder observar la tendència de la producció d'hidrogen. A més, un cop dut a terme aquests experiments a temperatura ambient, es van realitzar unes altres proves a diferents temperatures (50ºC i 75ºC). El treball desenvolupat al laboratori inclou el muntatge experimental, la preparació del mètode per immobilitzar el catalitzador en els microcanals, la preparació per afegir les nanopartícules de metall a la placa catalítica i la realització dels experiments fotocatalítics. Finalment, els millors resultats es van obtenir en la interacció sòlid-líquid-gas fent servir la placa catalítica de 16 microcanals. Es va utilitzar un cabal de líquid de 0,58 ml/min, un cabal de gas de 20 ml/min i es va escalfar el microreactor a 75ºC. En aquest cas la producció màxima d'hidrogen va ser de 157,7 µmol/(min•gcat).

El objetivo de este proyecto de máster es la producción de hidrógeno (H2) a partir de mezclas que contienen agua y etanol (relación molar H2O:C2H5OH=9:1) mediante un proceso fotocatalítico con nanopartículas de metal/TiO2. La reacción heterogénea sólido-líquido-gas se llevó a cabo en un microreactor de acero inoxidable operado en continuo, utilizando dos placas catalíticas, una con 16 microcanales y otra con 32 microcanales, y además una fuente LED de 365 nm. En el desarrollo del proyecto se realizaron diferentes experimentos. En primer lugar, se realizó la interacción sólido-gas usando un burbujeador que contenía agua y etanol, con un caudal de gas de 20 ml/min. A continuación, se realizó el experimento en fase sólido-líquido-gas, donde el líquido (agua y etanol) fue introducido por la parte superior y bajaba por acción de la gravedad y las fuerzas capilares. En este experimento el gas se puso en contra-corriente y se utilizaron diferentes caudales de gas y líquido para poder observar la tendencia de la producción de hidrógeno. Además, una vez llevado a cabo estos experimentos a temperatura ambiente, se realizaron otras pruebas a diferentes temperaturas (50ºC y 75ºC). El trabajo desarrollado en el laboratorio incluye el montaje experimental, la preparación del método para inmovilizar el catalizador en los microcanales, la preparación para añadir las nanopartículas de metal en la placa catalítica y la realización de los experimentos fotocatalíticos. Finalmente, los mejores resultados se obtuvieron en la interacción sólido-líquido-gas utilizando la placa catalítica de 16 microcanales. Se utilizó un caudal de líquido de 0,58 ml/min, un caudal de gas de 20 ml/min y se calentó el microreactor a 75ºC. En este caso la producción máxima de hidrógeno fue de 157,7 µmol/(min•gcat).

The aim of this master's project is the production of hydrogen (H2) from mixtures containing water and ethanol (molar relation H2O:C2H5OH=9:1) using a photocatalytic process with metal/TiO2 nanoparticles. The solid-liquid-gas heterogeneous reaction was carried out in a stainless-steel falling film microreactor working in continuous mode, using two catalytic plates, one of them containing 16 microchannels and the other containing 32 microchannels, and also a LED source of 365 nm. In the development of the project different experiments were carried out. First of all, it realized the solid-gas interaction using a bubbler which contained water and ethanol, with a gas flow of 20 ml/min. After this, it realized the experiment in solid-liquid-gas phase, where the liquid (water and ethanol) was fed through the top slit and introduced into the microchannels by gravity and capillary forces. In this experiment the gas was applied in counter-current and I used different flow rates of gas and liquid to observe the trend of hydrogen production. Moreover, after these experiments were carried out at room temperature, further tests were performed at different temperatures (50ºC and 75ºC). The work developed in the laboratory includes the experimental set-up, the preparation of the method to immobilized the catalyst in the microchannels, the preparation to add the metal nanoparticles in the reaction plate and the performance of photocatalytic experiments. Finally, the best results were obtained in solid-liquid-gas interaction using the catalytic plate containing 16 microchannels. It used a liquid flow rate of 0,58 ml/min, a gas flow rate of 20 ml/min and the microreactor was heated at 75ºC. In this case the maximum hydrogen production was 157,7 µmol/(min•gcat).