PHOTOTHERMAL STEAM REFORMING OF METHANOL AT MINIMIZED TEMPERATURE OVER TITANIUM DIOXIDE MODIFIED WITH PLASMONIC NANOPARTICLES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS_Thesis_Mohammed Abdalmwla (g202114770).pdf Restricted to Repository staff only until 8 January 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

يمثل إعادة تشكيل الميثانول بالبخار (MSR) مسارًا واعدًا لإنتاج الهيدروجين المستدام. ومع ذلك، يظل إطلاق الهيدروجين من الميثانول مقيدًا بعملية التحفيز الحراري المستهلكة للطاقة بكثافة. في هذه الرسالة، تم دراسة الأداء الحراري-الضوئي الحفزي لأكسيد التيتانيوم (TiO₂) المعدل بجسيمات نانوية بلازمونية لإعادة تشكيل الميثانول بالبخار. يُعزز دمج الجسيمات النانوية البلازمونية فصل حاملات الشحنات النشطة ضوئيًا، مما يقلل بشكل كبير من طاقة التنشيط ويحسن من حركية التفاعل. يقدم هذا العمل نهجًا لتطوير وتعديل المواد النانوية من TiO₂ بجسيمات نانوية بلازمونية من الذهب (Au) لتقليل المدخلات الحرارية المطلوبة لإصلاح الميثانول بالبخار. تم تصنيع أطوار الأناتاز (A) والبروكيت (B) من TiO₂ وتعديلها باستخدام 1.0% وزناً من الذهب. تم توصيف المواد النانوية لأكسيد التيتانيوم النقي والمعدل باستخدام مجهر المسح الإلكتروني عالي الدقة (FE-SEM)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، ومطيافية الانعكاس المنتشر(DRS)، ومطيافية الأشعة السينية الضوئية (XPS) وتم تقييم النشاط الحراري-الضوئي الحفزي تجاه إعادة تشكيل الميثانول بالبخار. حققت المحفزات الأكثر نشاطًا (1.0 wt.% Au/TiO₂ (A 200 °C)) معدل إنتاج هيدروجين حراري-ضوئي حفزي استثنائي بلغ 370.0 ميلي مول mmol g-1 h-1 W-1 تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية (UV(A)) عند 150 درجة مئوية ولم يُلاحظ أي نشاط تحفيزي حراري تحت نفس الظروف. تم إجراء علاقة بين التبلور، المساحة السطحية، ومعدل إنتاج الهيدروجين، مما يشير إلى أن المساحة السطحية هي العامل المهيمن. وقد تم أيضا تقديم طريقة بسيطة لتصنيع محفز 1.0 wt.% TiO2@R-Cu/Al2O3 .وتم الحصول على محفزTiO2@R-Cu/Al2O3 النشط بالضوء المرئي من خلال صفائح هيدروكسيد النحاس والألمنيوم الطبقي (CuAl-LDH) المخلوطة بنسبة 1.0% وزناً منTiO2 (P25) وقد تم تأكيد تكوين الجسيمات النانوية البلازمونية للنحاس باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) ، ومطيافية الأشعة السينية الضوئية(XPS)، والمجهر الإلكتروني النافذ(TEM)، ومطيافية الانعكاس المنتشر(DRS)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء .(IR) أظهر محفز 1.0wt.%TiO2@R-Cu/Al2O3كفاءة استثنائية في التحفيز الفوتو حراري البلازموني لإعادة تشكيل الميثانول بالبخار، وحقق معدل 153.0 mmol g-1 h-1 W-1 تحت ضوء الشمس المحاكي (1.0 sun AM1.5G) عند 200 درجة مئوية .هذا المعدل أعلى بشكل ملحوظ (بنسبة 66%) مقارنة بالمعدل الذي تم الحصول عليه في نفس الظروف في غياب الضوء. وتم اقتراح تأثير تآزري بين TiO2 والجسيمات النانوية البلازمونية للنحاس لتفسير النشاط المحسن. يقدم هذا العمل طريقة مبتكرة للتحفيز الفوتو حراري البلازموني لإنتاج الهيدروجين عبر إعادة تشكيل الميثانول بالبخار، مما يُبرز القدرات الكبيرة للتحفيز الفوتو حراري البلازموني في الكيمياء والطاقة.

English Abstract

Methanol steam reforming (MSR) represents a promising pathway for sustainable hydrogen production, but the release of hydrogen from methanol remains constrained by the energy-intensive thermocatalytic process. In this study, we investigate the thermo-photocatalytic performance of TiO₂ modified with plasmonic nanoparticles for MSR. The integration of plasmonic nanoparticles enhances the photo-induced reactive charge carriers’ separation, thus significantly reducing the activation energy and improving the reaction's kinetics. This work presents an approach to developing and modifying TiO2 nanomaterials with plasmonic Au nanoparticles to minimize the thermal input required for MSR. The anatase (A) and brookite (B) phases of TiO2 have been synthesized and modified with 1.0 wt.% Au. The pristine and modified TiO2 nanomaterials have been characterized by field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), X-ray diffraction (XRD), diffuse reflectance spectroscopy (DRS), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The thermo-photocatalytic activity toward MSR has been evaluated using a batch reactor. Demonstrating remarkable efficiency, the most active catalyst (i.e. 1.0 wt.% Au/TiO2 (A 200 oC) achieved a thermo-photocatalytic hydrogen production rate of 370.0 mmol/g h W under UV(A) light at 150 °C. No thermocatalytic activity was observed under the same conditions. A correlation between crystallinity, surface area, and the hydrogen production rate was conducted, indicating that surface area is the dominant parameter. A facile method for the synthesis of a 1.0 wt.% TiO2@R-Cu/Al2O3 catalyst was introduced. The visible-light-active 1.0 wt.% TiO2@R-Cu/Al2O3 was obtained by reducing CuAl-layered double hydroxide (CuAl-LDH) nanosheets mixed with 1.0 wt.% of TiO2 (P25). The formation of plasmonic Cu nanoparticles was confirmed by X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), transmission electron microscopy (TEM), diffuse reflectance spectroscopy (DRS), and infrared spectroscopy (IR). The 1.0 wt.% TiO2@R-Cu/Al2O3 catalyst exhibited exceptional efficiency in the plasmonic photothermal catalytic MSR and could deliver a rate of 153.0 mmol/g h W under simulated solar light (1.0 sun, AM1.5G) at 200 °C. This rate is significantly higher (by 66%) than that obtained under the same conditions in the absence of light. A synergistic effect between TiO2 and plasmonic Cu nanoparticles was proposed to explain the improved activity. This work presents an innovative plasmonic photothermal catalyst method for producing hydrogen via methanol steam reforming, showcasing the significant capabilities of plasmonic photothermal catalysis in chemistry and energy.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Committee Advisor:	Kandiel, Tarek
Committee Members:	Alhooshani, Khalid and Tahir, Muhammad
Depositing User:	MOHAMMED ABDALMUWLA (g202114770)
Date Deposited:	08 Jan 2025 08:06
Last Modified:	08 Jan 2025 08:06
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143235