Συντάχθηκε 27-10-2026 11:00
Τόπος:
Σύνδεσμος τηλεδιάσκεψης
Έναρξη: 02/11/2026 12:00
Λήξη: 02/11/2026 13:00
ΑΝΑΚΟΙΝΩΣΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ
Όνοματεπώνυμο Φοιτητή: Καπετανέας Βίκτωρ
Α.Μ.: 2021050030
Ημερομηνία Παρουσίασης: 2/11/2026
Ώρα: 12:00
Αίθουσα:
Join Zoom Meeting
https://tuc-gr.zoom.us/j/91795529299?pwd=auuo2XdGGZAuddA3nHPbywKRIL9oKT.1
Meeting ID: 917 9552 9299
Password: 467483
Θέμα ΔE «Καταλυτική διάσπαση αμμωνίας σε υποστηριγμένους καταλύτες
μη ευγενών μετάλλων»
Title «Catalytic decomposition of ammonia over supported non noble metal catalysts»
Επιβλέπων: Γεντεκάκης Ιωάννης
Τριμελής Εξεταστική Επιτροπή:
1. Γεντεκάκης Ιωάννης
2. Γουρνής Δημήτριος
3. Γιαννής Απόστολος
Περίληψη: Στην σημερινή εποχή λόγω της επιδείνωσης της κλιματικής κρίσης και της ενίσχυσης του φαινομένου του θερμοκηπίου καθίσταται αναγκαία η μείωση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Στο πλαίσιο αυτό, η ενεργειακή μετάβαση επιβάλλει τη στροφή στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), αλλά η χρονική και η γεωγραφική αστάθεια παραγωγής τους δυσχεραίνει την πλήρη αντικατάσταση των παραδοσιακών πηγών. Σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή Επιτροπή (ΕΕ), το 2020 το υδρογόνο (H2) αναδείχθηκε ως σημαντικός ενεργειακός φορέας για την απανθρακοποίηση, εφόσον παράγεται με χαμηλές εκπομπές. Παρόλα αυτά, η ευρεία εφαρμογή του αντιμετωπίζει σοβαρά μηχανικά εμπόδια αποθήκευσης και μεταφοράς, εξαιτίας των ακραίων απαιτήσεων συμπίεσης-αποθήκευσης. Για την αντιμετώπιση αυτών των περιορισμών, η αμμωνία (NH3) αποτελεί έναν ικανοποιητικό χημικό φορέα υδρογόνου, καθώς διαθέτει υψηλή περιεκτικότητα σε υδρογόνο, υψηλή ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα και δυνατότητα εύκολης υγροποίησης σε ήπιες συνθήκες. Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει τη θερμοκαταλυτική διάσπαση της αμμωνίας (2NH3(g) ⇆ N2(g) +3H2(g)), για την παραγωγή υδρογόνου χωρίς άμεσο σχηματισμό CO2 κατά την αντίδραση. Κύριος στόχος είναι η αξιολόγηση οικονομικών, υποστηριγμένων καταλυτών μη ευγενών μετάλλων μετάπτωσης ως εναλλακτικών λύσεων έναντι των ακριβών ευγενών μετάλλων, όπως το ρουθήνιο (Ru). Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν καταλύτες νικελίου, κοβαλτίου και σιδήρου (Ni, Co, Fe) υποστηριγμένους σε γ-Al2O3 χαμηλής ειδικής επιφάνειας (LS, 90m2/g) και υψηλής ειδικής επιφάνειας (HS, 177,7m2/g). Οι καταλύτες παρασκευάστηκαν με υγρό εμποτισμό από νιτρικά άλατα, ακολουθούμενη από ξήρανση στους 100°C και οδηγήθηκαν σε αναγωγή στους 400°C υπό ροή 20% H2/Ar. Χαρακτηρίστηκαν με τεχνικές αναγωγής υδρογόνου (H2-TPR), περιθλασιμετρία ακτίνων Χ (XRD) και εκλεκτικής χημειορόφησης H2 (Titration). Οι πειραματικές δοκιμές διεξήχθησαν σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης (50mg καταλύτη + 150mg χαλαζία (Quartz)), με τροφοδοσία ισομοριακού μίγματος 1:1 NH3/Ar και συνολική παροχή 50mL/min. Ο λόγος συνολικής ογκομετρικής παροχής προς μάζα καταλύτη Q/W αντιστοιχεί σε 60.000 mL·gcat⁻¹·h⁻¹. Για την αξιολόγηση της καταλυτικής ενεργότητας εκτελέσθηκαν κινητικά πειράματα (Light-off) σε εύρος θερμοκρασιών από 180-750 °C με ρυθμό θέρμανσης 2°C/min, καθώς και δοκιμές βραχυπρόθεσμης καταλυτικής σταθερότητας (Stability) διάρκειας 12 ωρών στη θερμοκρασία T90 ( 90% μετατροπή αμμωνίας) κάθε καταλύτη. Η ανάλυση των αερίων έγινε με φασματογράφο μάζας. Τα κινητικά αποτελέσματα ανέδειξαν σειρά καταλυτικής δραστικότητας Ni > Co > Fe. Ο καταλύτης 10 wt.% Ni/γ-Al2O3_HS παρουσίασε την καλύτερη απόδοση, επιτυγχάνοντας T50= 445°C και T90= 468°C, παρουσιάζοντας παράλληλα υψηλότερη εκτιμώμενη διασπορά (2,69%), τη μεγαλύτερη πυκνότητα ενεργών θέσεων (45,8 μmol/g) και το μικρότερο μέγεθος σωματιδίων (37,6 nm). Αντίθετα, οι καταλύτες 10 wt.% Co και Fe παρουσίασαν υψηλά εκτιμώμενα μεγέθη μεταλλικών σωματιδίων (586nm και 652,8nm), με εξαιρετικά χαμηλή διασπορά (<0,2%), περιορισμένα ενεργά κέντρα (~2,9 μmol/g), και κατ’ επέκταση υψηλότερες θερμοκρασίες T90 (518°C και 528°C αντίστοιχα). Παράλληλα, η μείωση της φόρτισης Ni στο 1,76 wt.% εκτόπισε την T90 στους 532°C. Όλα τα συστήματα επέδειξαν βραχυπρόθεσμη λειτουργική σταθερότητα διατηρώντας μετατροπή κοντά στο 90% κατά το διάστημα συνεχούς λειτουργίας 12 ωρών, χωρίς ενδείξεις απενεργοποίησης (T90= 468°C για Ni, T90= 518°C για Co και T90= 528°C για Fe). Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι οι καταλύτες Ni/γ-Al2O3 είναι καλύτεροι από αυτούς των Co/γ-Al2O3 και Fe/γ-Al2O3. Το νικέλιο να αποτελεί το πλέον υποσχόμενο μη ευγενές μέταλλο για τη διάσπαση της αμμωνίας, τη βιώσιμη και οικονομική επιλογή για παραγωγή υδρογόνου υψηλής καθαρότητας.
Abstract: Nowadays, due to the worsening of the climate crisis and the intensification of the greenhouse effect, reducing carbon dioxide (CO₂) concentrations has become essential. In this context, the energy transition necessitates a shift towards Renewable Energy Sources (RES); however, the temporal and geographical variability of their production hinders the complete replacement of conventional energy sources. According to the European Commission (EC), in 2020, hydrogen (H₂) emerged as an important energy carrier for decarbonization, provided that it is produced with low emissions. Nevertheless, its widespread application faces significant engineering challenges related to storage and transportation, owing to the stringent requirements for compression and storage. To overcome these limitations, ammonia (NH₃) represents a suitable chemical hydrogen carrier, as it has a high hydrogen content, high volumetric energy density, and can be readily liquefied under mild conditions. The present thesis investigates the thermocatalytic decomposition of ammonia (2NH₃(g) ⇌ N₂(g) + 3H₂(g)) for hydrogen production without direct CO₂ formation during the reaction. The main objective is to evaluate low-cost, supported non-noble transition metal catalysts as alternatives to expensive noble metals, such as ruthenium (Ru). Specifically, nickel, cobalt, and iron catalysts (Ni, Co, and Fe) supported on γ-Al₂O₃ were studied using supports with a low specific surface area (LS, 90 m²/g) and a high specific surface area (HS, 177.7 m²/g). The catalysts were prepared by wet impregnation using nitrate salts, followed by drying at 100°C and reduction at 400°C under a flow of 20% H₂/Ar. They were characterized using hydrogen temperature-programmed reduction (H₂-TPR), X-ray diffraction (XRD), and selective H₂ chemisorption (titration).The experimental tests were conducted in a fixed-bed reactor containing 50 mg of catalyst and 150 mg of quartz, using an equimolar 1:1 NH₃/Ar feed mixture at a total flow rate of 50 mL/min. The ratio of total volumetric flow rate to catalyst mass (Q/W) corresponded to 60,000 mL·g_cat⁻¹·h⁻¹. Catalytic activity was evaluated through light-off experiments over a temperature range of 180–750°C, at a heating rate of 2°C/min, as well as short-term catalytic stability tests lasting 12 hours at the T₉₀ temperature (the temperature required to achieve 90% ammonia conversion) for each catalyst. Gas analysis was performed using a mass spectrometer. The light-off results revealed the following order of catalytic activity: Ni > Co > Fe. The 10 wt.% Ni/γ-Al₂O₃_HS catalyst exhibited the best performance, achieving T₅₀ = 445°C and T₉₀ = 468°C, while also exhibiting a higher estimated dispersion (2.69%), the highest density of active sites (45.8 μmol/g), and the smallest particle size (37.6 nm). In contrast, the 10 wt.% Co and Fe catalysts exhibited high estimated metal particle sizes of 586 nm and 652.8 nm, respectively, extremely low dispersion (<0.2%), and a limited number of active sites (~2.9 μmol/g). Consequently, they required higher T₉₀ temperatures of 518°C and 528°C, respectively. Furthermore, reducing the Ni loading to 1.76 wt.% increased T₉₀ to 532°C. All catalytic systems demonstrated short-term operational stability, maintaining ammonia conversion close to 90% throughout the 12-hour continuous operation period, with no evidence of deactivation (T₉₀ = 468°C for Ni, T₉₀ = 518°C for Co, and T₉₀ = 528°C for Fe). In conclusion, the results confirm that Ni/γ-Al₂O₃ catalysts outperform Co/γ-Al₂O₃ and Fe/γ-Al₂O₃ catalysts. Nickel emerges as the most promising non-noble metal for ammonia decomposition, offering a sustainable and cost-effective option for high-purity hydrogen production.
