Fe2O3/CeO2-Al2O3 OXYGEN CARRIERS FOR LOW-TEMPERATURE CHEMICAL LOOPING HYDROGEN PRODUCTION. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Final - Phd Thesis - Achmad Ferdiansyah.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 30 December 2026. Download (12MB)

Arabic Abstract

الاسم الكامل: أحمد فِرديانسياه برادانا بوترا عنوان الرسالة: تطوير ونمذجة حركية لحوامل الأكسجين القائمة على الحديد مع دَعم من أكسيد الألمنيوم المعدَّل بالسيريوم لإنتاج الهيدروجين الأزرق بطريقة الحلقة الكيميائية عند درجات حرارة منخفضة التخصص: الهندسة الكيميائية تاريخ الدرجة العلمية: ديسمبر ٢٠٢٥ يتطلب تحقيق الحياد الكربوني العالمي بحلول عام 2050 تطوير تقنيات قابلة للتوسع لإنتاج الهيدروجين منخفض الكربون. وقد برزت تقنية إنتاج الهيدروجين باستخدام الدورة الكيميائية (Chemical Looping Hydrogen Production, CLHP) كأحد المسارات الواعدة لتحقيق توليد فعال للهيدروجين مع فصلٍ مدمجٍ لغاز ثاني أكسيد الكربون. تقدم هذه الأطروحة دراسة متعمقة لحوامل الأوكسجين القائمة على الحديد والمدعومة بألومينا معدّلة بالسيريا (Ce– Al2O3). يدمج البحث بين الدراسات التجريبية والتحليل البنيوي والنمذجة الحركية لتقييم أدائها وآليات التفاعل بصورة شاملة. في المرحلة الأولى، تم تقييم تأثير نسبة الحديد المضافة إلى دعامة Ce–Al2O3 في مفاعل السرير المميع. أظهر العيِّن F20Ce–Al أعلى نسبة اختزال بلغت ‎92%‎ عند درجة حرارة ‎650°C‎. كما حافظ على معدل إنتاج للهيدروجين بلغ ‎0.54‎ مليمول/غرام طوال فترة التفاعل. وعلى النقيض من ذلك، أظهر العيِّن F30Ce–Al تكتلاً مبكراً وانخفاضاً في النشاط بنسبة ‎37%‎ بعد ‎16‎ ثانية من التشغيل. ويُعزى هذا التحسن إلى المشاركة الفعّالة لتفاعل انزياح الماء–غاز (Water–Gas Shift Reaction) خلال خطوة الوقود. لقد حسّنت إضافة السيريا الخصائص السطحية لحامل الأوكسجين بشكل ملحوظ. حيث ارتفعت المساحة السطحية النوعية من ‎78‎ م²/غرام إلى ‎112‎ م²/غرام، مما يشير إلى تحسن في التشتت والمسامية. بالإضافة إلى ذلك، منعت السيريا تكوين أطوار خاملة من FeAl2O4 وساعدت على الحفاظ على البنية البلورية لطور γ- Al2O3. أظهرت نتائج اختبارات الاختزال المبرمج حرارياً (TPR) انخفاضاً واضحاً في درجة بدء الاختزال من ‎620°C‎ إلى ‎540°C‎ مما يدل على قابلية اختزال محسّنة. كما أظهرت تحليلات طاقة التنشيط انخفاضاً بنسبة ‎55%‎ أثناء اختزال Fe2O3 وبنسبة ‎50%‎ أثناء الأكسدة، مما يؤكد دور السيريا في تسريع الحركية الاختزالية-الأكسدية. علاوةً على ذلك، أوضحت نتائج تجارب الامتزاز المبرمج حرارياً لـ CH₄ و CO2 تعزيزاً في تفاعلات الغاز-الصلب، حيث أظهر حامل الأوكسجين Fe–CeγAl أعلى سعة إزالة لثاني أكسيد الكربون بلغت ‎1.589‎ مليمول/غرام مع تحويلٍ للميثان وصل إلى ‎77%‎ خلال ‎50‎ ثانية. وأنتجت النمذجة الحركية توافقاً ممتازاً (R2 = ‎0.9867‎ ، AIC = ‎–106.22‎) مؤكدةً هيمنة تفاعل الأكسدة الجزئية للميثان كمسارٍ حركيٍ مفضل.تشير هذه النتائج مجتمعةً إلى أن السيريا تعمل كمحفز بنيوي واختزالي فعال يعزز حركة الأوكسجين في الشبكة البلورية، ويثبت طور الألومينا، ويسهّل انتقالات Fe3+/Fe⁰ مما يؤدي إلى زيادة إنتاج الهيدروجين وتحسين استقرار حامل الأوكسجين. وبذلك تُعد حوامل الأوكسجين Fe–Al2O3 المعدّلة بالسيريا مواد واعدة وعالية الكفاءة لإنتاج الهيدروجين منخفض الانبعاثات على نطاق واسع ضمن أنظمة CLHP المتقدمة. : الكلمات المفتاحية الإنتاج بالدورة الكيميائية للهيدروجين؛ إنتاج الهيدروجين؛ حامل الأوكسجين؛ أكسيد الحديد؛ السيريا؛ الحركية التفاعلية؛ آلية الاختزال والأكسدة؛ مفاعل السرير المميع.

English Abstract

Achieving global net-zero emissions by 2050 requires the development of scalable technologies for low-carbon hydrogen production. Chemical Looping Hydrogen Production has emerged as a promising route for achieving efficient hydrogen generation with inherent CO2 separation. This dissertation presents an in-depth investigation of Fe-based oxygen carriers supported on ceria-modified alumina (CeO2–Al2O3). The research integrates experimental studies, structural characterization, and kinetic modeling to comprehensively evaluate their performance and reaction mechanisms. In the first stage, the influence of Fe loading on CeO2– Al2O3 supports was evaluated in a fluidized bed reactor. The F20Ce–Al sample achieved the highest reduction conversion of 92% at 650 °C. It also sustained a hydrogen production rate of 0.54 mmol g⁻¹ throughout the reaction period. In contrast, the F30Ce–Al sample exhibited early agglomeration and a 37% decline in activity after 16 s of operation. These improvements were attributed to the active participation of the water–gas shift reaction during the fuel step. Ceria modification significantly enhanced the surface properties of the oxygen carrier. The specific surface area increased from 78 m2 g-1 to 112 m2 g-1 indicating improved dispersion and porosity. In addition, the presence of ceria suppressed the formation of inactive FeAl2O4 phases and maintained the structural integrity of γ-Al2O3. Temperature-Programmed Reduction revealed a substantial decrease in reduction onset temperature from 620 °C to 540 °C indicating improved reducibility. Activation energy analysis showed reductions of up to 55% during Fe2O3 reduction and 50% during oxidation. It is confirming the role of Ce in accelerating redox kinetics. Moreover, CH4-TPD and CO2-TPD results indicated enhanced gas–solid interactions, with the Fe–CeγAl oxygen carrier displaying the highest CO2 desorption capacity of 1.589 mmol g-1 and methane conversion reaching 77% within 50 s. Kinetic modeling produced an excellent fit (R² = 0.9867, AIC = –106.22) for validating the dominance of CH4 partial oxidation as the kinetically favored pathway. Keywords: Chemical looping, Hydrogen production, Oxygen carrier; Iron oxide; Ceria; Reaction kinetics; Redox mechanism; Fluidized bed reactor

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Hossain, Mohammad Mozahar
Committee Co-Advisor:	Abdur Razzak, Shaikh
Committee Members:	Al-Shammari, Abdallah A. and Al-Harthi, mamdouh and Cavagnol, Sofien
Depositing User:	ACHMAD PRADANA PUTRA (g202113590)
Date Deposited:	30 Dec 2025 10:44
Last Modified:	30 Dec 2025 10:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143951