Preferential oxidation of carbon monoxide in microchannels : development of catalysts for the low temperature regime and kinetic study

Abstract

The aim of this work was to optimize the synthesis of Au/MeOx and Zeolite-based catalysts for the preferential oxidation reaction of carbon monoxide for low temperature fuel cells and to evaluate whether the high activity and selectivity observed in idealized methanol-reformate (CO, O2 and H2) are also maintained under more realistic conditions (CO, O2, H2, up to 20 Vol.% CO2, and 10 — 20 Vol.% H2O). Among the catalysts tested, the Au/Co3O4 catalyst was the most active and sensitive in the presence of carbon dioxide, while Pt-Rh/g-Al2O3 and Pt0.5Al1Mn7Co91.5Ox were found to oxidize carbon monoxide effectively in the presence of hydrogen and carbon dioxide. Another novel aspect of this work are the experiments for the kinetic study of the preferential oxidation reaction of carbon monoxide, which were performed applying catalyst coating in micro reactors. A recycle reactor was constructed to study the kinetics of the reaction. The predictions of the residence time distribution (RTD) for a CSTR simulated by a microreactor with a recycle stream, has been shown to give an adequate approximation of the experimental measurements. Linear regression analysis was used to develop a kinetic model and to validate all the required parameters. The kinetics of the preferential carbon monoxide oxidation and hydrogen oxidation on Pt-Rh/g-Al2O3 catalyst in simulated reformer gas in the microreactors was well described by a simple power-law expression.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Herstellung von Au/MeOx und Zeolite basierten Katalysatoren für die selektive Kohlenmonoxidoxidation für Niedertemperatur-Brennstoffzellen zu optimieren und zu bewerten, ob die hohe Aktivität und die Selektivität, die bei idealen Methanol-Reformaten (CO, O2 und H2) beobachtet werden, auch unter realistischen Bedingungen (CO, O2, H2, bis 20 Vol.% CO2 und 10 — 20 Vol.% H2O) erhalten bleiben. Insgesamt wurde eine Reihe von Katalysatoren getestet. Während sich der Au/Co3O4 Katalysator am aktivsten und empfindlichsten in der Anwesenheit von Kohlendioxid verhielt, haben die Pt-Rh/g-Al2O3 und Pt0.5Al1Mn7Co91.5Ox Katalysatoren das Kohlenmonoxid in der Anwesenheit des Wasserstoffes und des Kohlendioxides effektiv oxidiert. Ein besonderer und neuartiger Aspekt in dieser Arbeit sind die Experimente, die für die Untersuchung der Kinetik der selektiven Kohlenmonoxidoxidation in beschichteten Mikroreaktoren durchgeführt wurden. Mittels eines eigens konstruierten Kreislaufreaktors wurde die Kinetik der Reaktion bestimmt. Die Ergebnisse der Verweilzeitverteilung (RTD) für ein CSTR, der durch einen Mikroreaktor mit rückführbarem Strom simuliert wird, weisen einen guten Näherungswert zu den experimentellen Messungen auf. Durch lineare Regressionsanalyse wurde ein kinetisches Modell entwickelt und dessen Validität überprüft. Die Kinetik der selektiven Kohlenmonoxidoxidation und der Wasserstoffoxidation auf Pt-Rh/g-Al2O3 Katalysator in simuliertem Reformergas in den Mikroreaktoren wurde mit einem Potenz-Ansatz beschrieben.