Cu on Co Improves C5+ Selectivity in the Fischer-Tropsch Synthesis

The increase in global energy consumption, including the burning of fossil fuels, which increases the amount of CO2 in the atmosphere, results from the development of the world’s population and human activity. This challenge drives the scientific community to develop technologies and methods to convert and store CO2. Converting CO2 into hydrocarbons is a method that would allow the production of low-carbon footprint fuels. Jet fuel synthesis alone would reduce global CO2 emissions by 2%. It is a solution that uses renewable electricity generated in Quebec to transform atmospheric CO2 into CO using the Reverse Water-Gas Shift reaction and then turns the CO into jet fuel via the Fischer-Tropsch Synthesis. The 4 objectives of the project allow to demonstrate that Cu can replace noble metals as promoters to increase the performance of the catalyst. The first objective was to synthesize catalysts with Co Nanoparticles (NPs) doped with Cu NPs to evaluate the effect of Cu on the conversion of syngas (H2 and CO) into jet fuel. The second objective was identifying the optimal wt % of Cu doped on the catalyst to maximize CO conversion and C5+ paraffin production while minimizing CH4 formation. The third objective was to establish a relationship between the physicochemical properties of the catalysts and their conversion. The fourth objective was to model, using the obtained results, a computer model allowing to identify the optimal wt % of Cu to impregnate to maximize the production of C5+ paraffin.

Résumé

La croissance de la population mondiale et des activités humaines contribue à l’augmentation globale de la consommation d’énergie telle que les combustibles fossiles, ce qui libère davantage de CO2 dans l’atmosphère. Ce défi pousse la communauté scientifique à développer des technologies et des méthodes pour convertir et stocker le CO2. La conversion du CO2 en hydrocarbures est une méthode qui permettrait de produire des carburants à faible empreinte carbone. La synthèse de carburant d’avion permettrait à elle seule de réduire de 2% les émissions mondiales de CO2. Le processus consiste à convertir le CO2 atmosphérique en CO par la Réaction du Gaz à l’Eau Inverse, puis à convertir le CO en carburant d’avion via la Synthèse Fischer-Tropsch, le tout en étant alimenté par l’électricité renouvelable du Québec. Les 4 objectifs du projet permettent de démontrer que le Cu peut remplacer les métaux nobles comme promoteurs pour augmenter la performance du catalyseur. Le premier objectif était de synthétiser des catalyseurs avec des Nanoparticules (NPs) de Co dopées de NPs de Cu afin d’évaluer l’effet du Cu sur la conversion du gaz de synthèse (H2 et CO) en carburant d’avion. Le deuxième objectif était d’identifier le % massique optimal de Cu dopé sur le catalyseur pour maximiser la conversion du CO et la production de paraffine C5+ tout en minimisant la formation de CH4. Le troisième objectif était d’établir une relation entre les propriétés physicochimiques des catalyseurs et leur conversion. Le quatrième objectif était de concevoir, à partir des résultats obtenus, un modèle informatique permettant d’identifier le % massique optimal de Cu à imprégner afin de maximiser la production de paraffine C5+. Sept catalyseurs, dont le % massique des NPs de Co et de Cu imprégnés variait entre 0 et 0,15 g g−1, ont été synthétisés en utilisant la méthode d’imprégnation par ultrasons. La sélectivité de chaque catalyseur à produire des paraffines C5+ a été testée dans un réacteur Fischer-Tropsch à une température de 230°C et à une pression de 20 bar pendant 90 h. La Microscopie Électronique en Transmission (TEM), la Microscopie Électronique en Transmission à Balayage (STEM), la Diffractométrie de Rayons X (XRD) et la Réduction en Température Programmée (TPR) ont été utilisées pour caractériser les catalyseurs. Co15-Cu0.15 est le catalyseur le plus performant avec une conversion du CO de 66%, une sélectivité pour la paraffine C5+ de 29% et une sélectivité de 16% pour le CH4. Les images TEM, avant la réaction, montre une dispersion uniforme des NPs de CoCu sur le support Al2O3.