Kinetic investigation of NH3 cracking over Ru-supported catalysts for carbon-free hydrogen production

Growing energy demand and increased focus on sustainability boosted alternative energy source development. Hydrogen has outstanding properties as a carbon-free energy source, but its transport and storage are still challenging. To overcome these issues, the development of H2 carriers is an open perspective. Among different candidates, ammonia is considered one of the most promising because of its high energy density (108 kgh/m3 NH3 at 20°C and 8.6 bar) and high hydrogen content (17.6%). Therefore, ammonia catalytic decomposition at low temperatures is gaining increasing interest for the production of H2 from green NH3. Ruthenium-based catalysts have shown the best performances in the ammonia decomposition process. However, their high costs and environmental impact led researchers to consider new formulations with reduced active metal loading and higher activity. Moreover, although widely studied, the kinetics of NH3 decomposition are still under discussion. On the other hand, previous research was carried out under different conditions, so there is a need for systematic investigations into Ru-based catalysts for NH3 decomposition. In this study, a series of Ru-based catalysts were prepared via the incipient wetness impregnation method (IWI). Catalyst characterization tests like BET, ICP, H2-chemisorption, SEM, NH3-TPD, and H2-TPD were performed. The catalytic ammonia decomposition process was carried out on a fixed-bed reactor. The effects of the nature of Ru-precursors and supports were studied to identify the best formulation. The effects of ammonia-inlet concentration, effects of hydrogen co-feeding, and nitrogen co-feeding were explored to gain insight on the main kinetic dependences. Finally, both Power Law and LHHW-type kinetic models were developed to describe the bulk of experiments. Engineering correlations are thus available for future design applications.

La crescente domanda di energia e la maggiore attenzione alla sostenibilità hanno dato impulso allo sviluppo di fonti energetiche alternative. L'idrogeno ha proprietà straordinarie come risorsa energetico carbon-free , ma il suo trasporto e stoccaggio sono ancora problematici. Per superare questi problemi, lo sviluppo di vettori di H2 è una prospettiva aperta. Tra i diversi candidati, l'ammoniaca è considerata uno dei più promettenti per la sua alta densità energetica (108 kgh/m3 NH3 a 20°C e 8,6 bar) e l'elevato contenuto di idrogeno (17,6%). Pertanto, la decomposizione catalitica dell'ammoniaca a basse temperature sta riscuotendo un crescente interesse per la produzione di H2 da NH3 verde. I catalizzatori a base di rutenio hanno mostrato le migliori prestazioni nel processo di decomposizione dell'ammoniaca. Tuttavia, i loro costi elevati e l'impatto ambientale hanno portato i ricercatori a considerare nuove formulazioni con un carico ridotto di metallo attivo e un'attività più elevata. Inoltre, sebbene ampiamente studiata, la cinetica della decomposizione dell'NH3 è ancora oggetto di discussione. D'altra parte, le ricerche precedenti sono state condotte in condizioni diverse, per cui è necessario condurre indagini sistematiche sui catalizzatori a base di Ru per la decomposizione dell'NH3. In questo studio, una serie di catalizzatori a base di Ru è stata preparata con il metodo dell'impregnazione a umido incipiente (IWI). Sono stati eseguiti test di caratterizzazione dei catalizzatori, come BET, ICP, chemiassorbimento di H2, SEM, NH3-TPD e H2-TPD. Il processo di decomposizione catalitica dell'ammoniaca è stato condotto su un reattore a letto fisso. Gli effetti della natura dei precursori e dei supporti sono stati studiati per identificare la migliore formulazione.Gli effetti della concentrazione di ammoniaca in ingresso, gli effetti della co-alimentazione di idrogeno e di azoto sono stati esplorati per comprendere le principali dipendenze cinetiche. Infine, sono stati sviluppati modelli cinetici di tipo Power Law e LHHW per descrivere la maggior parte degli esperimenti. Sono quindi disponibili correlazioni ingegneristiche per future applicazioni di progettazione.