炭素吸着剤/触媒複合モノリスのスクリーニング炭素捕獲およびエチレン産生のためのモノリス

エタン（ODHE）の酸化的脱水素化におけるCO2吸着と利用をシングルベッドに組み合わせることは、2ベッドプロセスからのエネルギー要件を削減しながら、有害な温室効果ガスを市場性のある商品化学物質に変換するエキサイティングな方法です。ただし、ほとんどの吸着剤はODHE反応に必要な温度でCO2を捕捉できないため、この目的のために新しい材料を開発する必要があります。この分野ではいくつかの進歩がありました。ただし、以前に報告された二重機能材料（DFM）は常に粉末状態の複合材料であり、これらの材料を実用的なコンタクタに形成する努力はなされていません。この研究では、CO2キャプチャとODHEの利用を組み合わせて、構造化されたDFM吸着剤/触媒モノリスの第1世代を報告します。具体的には、CACO3（CAO前駆体）、不溶性金属酸化物、およびZSM-5を使用した3Dプリントインクによって、M-CAO/ZSM-5モノリス（M = in、ce、cr、またはmo酸化物）を配合しました。The physiochemical properties of the monoliths were vigorously characterized using X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), N2 physisorption, elemental mapping, pyridine Fourier transform infrared spectroscopy (Py-FTIR), H2-temperature-programmed reduction（H2-TPR）、およびNH3-Temperatureプログラム脱着（NH3-TPD）。その後、600°CでのCO2吸着と700°C未満の700°CでのODHE反応の組み合わせのパフォーマンスを調査しました。吸着/触媒を組み合わせた実験により、CR-CAO/ZSM-5で最高のパフォーマンスが明らかになり、56％のCO2変換、91.2％C2H4選択性、33.8％C2H4の収率が得られました。粉末状態のDFMSから改善されたこの例外性パフォーマンスは、NH3-TPDおよびH2-TPRによって検証されたCR2O3ドーパントの高い酸性度と多数の酸化状態に起因していました。全体として、この研究では、3DプリントされたDFM吸着剤/触媒材料の史上初の概念実証を報告し、これらの複合材料を構築するための単純な経路を提供することにより、CO2キャプチャとODHE利用の領域を促進します。

Combining CO2 adsorption and utilization in oxidative dehydrogenation of ethane (ODHE) into a single bed is an exciting way of converting a harmful greenhouse gas into marketable commodity chemicals while reducing energy requirements from two-bed processes. However, novel materials should be developed for this purpose because most adsorbents are incapable of capturing CO2 at the temperatures required for ODHE reactions. Some progress has been made in this area; however, previously reported dual-functional materials (DFMs) have always been powdered-state composites and no efforts have been made toward forming these materials into practical contactors. In this study, we report the first-generation of structured DFM adsorbent/catalyst monoliths for combined CO2 capture and ODHE utilization. Specifically, we formulated M-CaO/ZSM-5 monoliths (M = In, Ce, Cr, or Mo oxides) by 3D-printing inks with CaCO3 (CaO precursor), insoluble metal oxides, and ZSM-5. The physiochemical properties of the monoliths were vigorously characterized using X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), N2 physisorption, elemental mapping, pyridine Fourier transform infrared spectroscopy (Py-FTIR), H2-temperature-programmed reduction (H2-TPR), and NH3-temperature-programmed desorption (NH3-TPD). Their performances for combined CO2 adsorption at 600 °C and ODHE reaction at 700 °C under 25 mL/min of 7% C2H6 were then investigated. The combined adsorption/catalysis experiments revealed the best performance in Cr-CaO/ZSM-5, which achieved 56% CO2 conversion, 91.2% C2H4 selectivity, and 33.8% C2H4 yield. This exceptional performance, which was improved from powdered-state DFMs, was attributed to the high acidity and numerous oxidation states of the Cr2O3 dopant which were verified by NH3-TPD and H2-TPR. Overall, this study reports the first-ever proof-of-concept for 3D-printed DFM adsorbent/catalyst materials and furthers the area of CO2 capture and ODHE utilization by providing a simple pathway to structure these composites.