Simultaneous Production of Oxygen and Hydrogen via Water Splitting Using Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ Membrane. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Nasirudeen Final Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 23 August 2023. Download (8MB)

Arabic Abstract

يمكن أن يقلل استخدام مصدر بديل للطاقة بشكل كبير من انبعاث غازات الاحتباس الحراري. الهيدروجين هو ناقل طاقة متعدد الاستخدامات مع ميزة شاملة لتوليد الطاقة بدون انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. يمكن تحقيق إنتاج فعال واقتصادي للهيدروجين من خلال عملية تقسيم الماء. يعتبر فصل الأكسجين والهيدروجين أمرًا ضروريًا لتعزيز معدل إنتاج الهيدروجين. تركز هذه الأطروحة على تطوير مستقر Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) غشاء نفاذي الأكسجين للتغلغل في الموقع للأكسجين لتحقيق إنتاج متزامن للهيدروجين على جانب التغذية والأكسجين على جانب الاكتساح. من المعلوم عن أن غشاء BSCF يحتوي على نسبة عالية من تدفق نفاذ الأكسجين بين جميع أغشية التوصيل الأيونية والإلكترونية المختلطة (MIEC)؛ ومع ذلك، فإنه يتمتع باستقرار كيميائي منخفض نسبيًا.. تم دراسة تأثير تعديل السطح على أداء الغشاء وثباته في تغذية الهواء والماء. في الجزء الأول من هذا العمل، تم تطوير واختبار غشاء Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) من أجل تغلغل الأكسجين من تغذية الهواء. تم في البداية فحص تأثير ثلاثة طلاءات معدنية مختلفة (Ag، Cr، وPd) على نفاذ الأكسجين لغشاء BSCF. أظهرت نتائج اختبار النفاذية أن حركية تفاعل السطح تحد من تدفق الأكسجين عبر الغشاء. لوحظ أن إضافة مواد الطلاء على سطح الغشاء أدى إلى زيادة تدفق الأكسجين لجميع الأغشية المطلية في نطاق درجة الحرارة. من 700 إلى 945°C. زاد تدفق نفاذ الأكسجين بترتيب Cr>Pd>Ag عند درجة حرارة منخفضة. ومع ذلك، انخفض تأثير طلاء Ag عند درجة حرارة أعلى، بينما كان طلاء Pd فعالاً في جميع درجات الحرارة المختبرة. يمكن أن يُعزى أمر التحسين إلى الاختلاف في التوصيلات الإلكترونية لمواد الطلاء. تم فحص تأثير كمية الطلاء على السطح بشكل أكبر مع طلاء البلاديوم على جانب التغذية من الغشاء. تم طلاء الغشاء بالبلاديوم لمدة 50 ثانية و180 ثانية و300 ثانية و450 ثانية و600 ثانية مما أدى إلى سماكة طلاء 23 نانومتر و68 نانومتر و115 نانومتر و161 نانومتر و236 نانومتر على التوالي. لوحظ أن تعزيز تدفق الأكسجين كان يعتمد على سمك الطلاء. تم تحقيق أقصى قدر من التحسين بسماكة طلاء Pd تبلغ 115 نانومتر (مدة طلاء 300 ثانية) في جميع درجات الحرارة، بينما تم تحقيق أعلى نسبة تحسن قدرها 35٪ عند 700°C. تم اختبار غشاء BSCF المطلي بالبلاديوم 300s فيما بعد من أجل الثبات في مفاعل احتراق وقود أوكسي على نطاق معمل باستخدام الميثان كوقود. تبين أن الزيادة في معدل الوقود تزيد بشكل كبير من نفاذية الغشاء. أظهرت الدراسة أيضًا أن طلاء البلاديوم يعزز نفاذية الغشاء ويحسن ثباته في بيئة الاحتراق. أظهرت النتائج أن الغشاء المطلي مستقر خلال 1000 ساعة تحت تدرج الهواء / (Ar + CH4)، مما يحافظ على تدفق الأكسجين بمقدار μmol/cm2s 1.9عند 920 درجة مئوية. في الجزء الثاني من هذا العمل، تم فحص إنتاج الهيدروجين من تقسيم الماء على غشاء BSCF. تم الكشف عن أن BSCF النقي بدون أي تعديل سطح محفز غير مناسب لإنتاج الهيدروجين. ومن ثم، قمنا بتطوير وتقييم محفز BaCexFe1-xO3-δ -جديد. تم تنويع تركيز السيريوم لتحديد تأثير السيريوم على ثبات الهيكل المكعب. أكدت نتائج XRD الحفاظ على الهيكل المكعب حتى 20 مول٪ من السيريوم. تم طلاء مسحوق BaCe0.2Fe0.8O3-δ -كمحفز على غشاء BSCF وتقييمه لإنتاج الهيدروجين عبر فصل الماء في مفاعل غشائي. تم توفير خليط من بخار الماء وغاز الأرجون إلى جانب التغذية، بينما تم استخدام خليط من Ar وCH4 كغاز مسح. أشارت النتائج إلى أن معدل إنتاج الهيدروجين يزداد بزيادة درجة الحرارة وتركيز الميثان في غاز الكسح وتركيز الماء في غاز التغذية. تم الحصول على أعلى معدل لإنتاج الهيدروجين (μmol/cm2s 0.38) في هذه الدراسة عند 925°C مئوية باستخدام 15٪ ميثان في غاز الكسح و55٪ ماء في غاز التغذية. تم تحقيق مزيد من التحسين لإنتاج الهيدروجين من خلال تثبيت الروثينيوم على مركب BaCe0.2Fe0.8 في جانب التغذية، بينما تم طلاء البلاديوم على الجانب النافذ. اختلفت كمية الروثينيوم من 0.5 إلى 1.5٪ بالوزن. أظهرت النتائج زيادة معنوية في معدل إنتاج الهيدروجين مع إضافة الروثينيوم. كانت الكمية المثلى من الروثينيوم 1.0٪ بالوزن، ولم يلاحظ بعدها أي تحسن ملحوظ. تم تحقيق أقصى إنتاج للهيدروجين قدره μmol/cm2s 0.88 عند 945°C. تم فحص الغشاء الذي يحتوي على محفز 1wt%Ru-BaCe0.2Fe من أجل الثبات واستمر لمدة 66 ساعة من التشغيل. تم تحقيق استقرار معزز للغشاء من خلال تطبيق طبقة إضافية من طلاء البلاديوم بين الغشاء والمحفز. كان هذا التكوين مستقرًا لمدة 380 ساعة من التشغيل. باختصار، أظهرت هذه الأطروحة أنه يمكن تطبيق غشاء BSCF بنجاح لفصل الأكسجين عن الهواء. يمكن تحسين نفاذ الأكسجين للغشاء باستخدام طلاء البلاديوم على سطح الغشاء. تم تحقيق أقصى قدر من التحسين بسماكة طلاء Pd تبلغ 115 نانومتر (مدة طلاء 300 ثانية) في جميع درجات الحرارة، بينما تم تحقيق أعلى نسبة تحسن قدرها 35٪ عند 700°C. بالإضافة إلى ذلك، تم توضيح أنه يمكن تطبيق BSCF لإنتاج الهيدروجين عن طريق تعديل السطح بمحفز مناسب. كان معدن الروثينيوم المثبت على محفز BaCeF فعالًا جدًا في تعزيز تفاعل تقسيم الماء، مما أدى إلى زيادة إنتاج الهيدروجين. تم تحقيق أقصى إنتاج للهيدروجين قدره μmol/cm2s 0.88 عند 945°C. علاوة على ذلك، تم تحسين ثبات الغشاء عن طريق تطبيق طبقة إضافية من طلاء البلاديوم بين المحفز والغشاء على جانب التغذية.

English Abstract

The use of an alternative source of energy can significantly reduce the emission of greenhouse gases. Hydrogen is a versatile energy carrier with the inclusive advantage of generating power with zero greenhouse gas emissions. Efficient and economical production of hydrogen can be achieved through the water-splitting process. Separating oxygen and hydrogen is crucial to enhancing the hydrogen production rate. This thesis focuses on developing a stable Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) oxygen permeable membrane for in-situ permeation of oxygen to achieve a simultaneous production of hydrogen on the feed side and oxygen on the sweep side. The BSCF membrane is reported to have high oxygen permeation flux among all mixed ionic and electronic conducting membranes (MIEC); however, it has relatively low chemical stability in reducing atmosphere. The effect of surface modification on the membrane's performance and stability in air and water feed was investigated. In the first part of this work, Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) membrane was developed and tested for oxygen permeation from air feed. The effect of three different metallic coatings (Ag, Cr, and Pd) on the oxygen permeation of the BSCF membrane was initially examined. Permeation test results revealed that the kinetics of the surface reaction limits oxygen flux through the membrane. It was observed that the addition of coating materials on the surface of the membrane increased oxygen flux for all coated membranes in the temperature range of 700 to 945°C. The oxygen permeation flux increased in the order of Ag>Pd>Cr at a lower temperature. However, the effect of Ag coating declined at a higher temperature, while Pd coating was effective at all tested temperatures. The improvement order could be attributed to the difference in the electronic conductivities of the coating materials. The effect of amount of coating on the surface was further examined with palladium coating on the feed side of the membrane. The membrane was coated with palladium for a duration of 50s, 180s, 300s, 450s, and 600s resulting in coating thicknesses of 23nm, 68nm, 115nm, 161nm, and 236nm, respectively. It was observed that the oxygen flux enhancement was dependent on coating thickness. Maximum enhancement was achieved with a Pd coating thickness of 115 nm (coating duration of 300 s) at all temperatures, while the highest percentage improvement of ≈35% was achieved at 700°C. The 300s palladium-coated BSCF membrane was later tested for stability in a laboratory-scale oxyfuel combustion reactor with methane as fuel. It is shown that an increase in the fuel rate significantly increases the permeability of the membrane. The study has also shown that the palladium coating enhances the membrane's permeability and improves its stability in the combustive environment. The results show that the coated membrane is stable during 1000 hours under Air/(Ar + CH4) gradient, maintaining an oxygen flux of ≈1.9 μmol.cm-2.s-1 at 920ºC. In the second part of this work, hydrogen production from water splitting over the BSCF membrane was investigated. It was revealed that pure BSCF without any catalytic surface modification is unsuitable for hydrogen production. Hence, we developed and evaluated a new BaCexFe1-xO3-δ catalyst. The concentration of cerium was varied to determine the effect of cerium on the stability of the cubic structure. XRD results confirmed that the cubic structure is maintained up to 20 mol% of cerium. The BaCe0.2Fe0.8O3-δ powder was coated as a catalyst on BSCF membrane and evaluated for hydrogen production via water splitting in a membrane reactor. The results indicated that the hydrogen production rate increases with increasing temperature, methane concentration in the sweep gas, and water concentration in the feed gas. The highest hydrogen production rate (0.38μmol/cm2s) in this study was obtained at 925oC using 15% CH4 in the sweep gas and 55% H2O in the feed gas. Further enhancement of the hydrogen production was achieved by adding ruthenium on the BaCe0.2Fe0.8 compound at the feed side, while palladium was coated on the permeate side. The amount of ruthenium was varied from 0.5 to 1.5wt%. Results showed a significant enhancement in the hydrogen production rate with the amount of ruthenium added. The optimum amount of ruthenium was 1.0wt%, beyond which no significant improvement was observed. Maximum hydrogen production of 0.88 μmol/cm2.s was achieved at 945oC. The membrane with 1wt%Ru-BaCe0.2Fe catalyst was examined for stability and lasted for 66hrs of operation. Enhanced stability of the membrane was achieved by applying an additional layer of palladium coating between the membrane and the catalyst. This configuration was stable for 380hrs of operation. In summary, this thesis has shown that the BSCF membrane can be applied successfully to separate oxygen from air. The oxygen permeation of the membrane can be improved by using palladium coating on the surface of the membrane. Maximum enhancement was achieved with a Pd coating thickness of 115 nm (coating duration of 300 s) at all temperatures, while the highest percentage improvement of ≈35% was achieved at 700°C. In addition, it was shown that the BSCF could be applied for hydrogen production by modifying the surface with an appropriate catalyst. Ruthenium metal added to BaCe0.2F0.8 catalyst was very effective in promoting the water splitting reaction, which led to enhanced hydrogen production. Maximum hydrogen production of 0.88 μmol/cm2.s was achieved at 945oC. Furthermore, the stability of the membrane was enhanced by applying an additional layer of palladium coating between the catalyst and the membrane on the feed side.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Environmental Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Mezghani, Khaled
Committee Members:	Mohammed, Habib and Saheb, Nouari and Khalil, Ali Ziq and Mohammed, Fettouhi
Depositing User:	NASIRUDEEN OGUNLAKIN (g201309470)
Date Deposited:	28 Sep 2022 11:35
Last Modified:	28 Sep 2022 11:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142207

Available Versions of this Item

• Simultaneous Production of Oxygen and Hydrogen via Water Splitting Using Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ Membrane. (deposited 28 Sep 2022 11:32)
  • Simultaneous Production of Oxygen and Hydrogen via Water Splitting Using Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ Membrane. (deposited 28 Sep 2022 11:35) [Currently Displayed]