Taming recOnstruction and loss of Platinum metals in high temperature industrial CATalytic processes

For produksjon av kunstgjødsel til jordbruket er et viktig trinn i prosessen oksidasjon av ammoniakk til NO for videre reaksjon til nitrat. Dette skjer over en Platina/Rhodium katalysator ved temperaturer på 800-900 grader Celsius. Reaksjonsbetingelsen e er aggressive og fører til at Platina/Rhodium katalysatoren gradvis degraderes med tap av de edle metallene. Dette medfører store kostnader når katalysatoren må skiftes ut ? samtidig som mengde edelmetall er en begrenset resurs. Prosjektet prøver å for stå hvorfor degraderingen skjer. Ut fra forståelsen av mekanismene for degradering vil man se etter modifiseringer som kan hindre eller redusere tapet. Prosjektet har studert degradering med avansert karakterisering fra 1 minutt etter at prosessen starter systematisk over flere dager i et reaktorsystem som er konfigurert for å fungere under reelle industrielle betingelser. Prosjektet lager modellmateriale som skal kunne gi mer spesifikk informasjon om hvilke mekanismer som kan forårsake rekonstruering av overflaten. Målet er å bruke kunnskapen til å lage mer stabil katalysator med bedre økonomi for prosessen og lenger levetid. Dette kan gi bedre katalysatorer i eksisterende anlegg og også legge grunnlaget for nestegenerasjonskatalysatorer med store materi albesparelser. Samarbeidet i prosjekt gruppen mellom SINTEF, UiO, Yara og K.A.Rasmussen er bragt videre inn i et nytt Senter for Forskningsdrevet Innovasjon, iCSI (industrial Catalysis Science and Innovation for a competitive and sustainable process industry). Dette senteret omfatter i tillegg til nevnte partnere i TOPCAT prosjektet også NTNU, Dynea og Ineos fra Norge og Haldor Topsoe fra Danmark. Hele det internasjonale nettverket fra det tildligere InGAP senteret er med også i iCSI. Hovedfokus for iCSI er "Catalysis Science and Innovation related to a range of industrial processes that are key to Norwegian land-based industry, industrial competitiveness, as well as future chemical processing and energy conversion with minimum environmental footprint. The industrial partners involved supply key sectors of the global market (catalysts, chemicals, fertilizer, plastics, fuels, etc.); the very products that impact our food supply and standard of living the most. The iCSI consortium represents leading competence and technology, for which the core business relies largely or completely on catalytic processes. iCSI represents significant industrial operations in Norway as well as world-wide. " Yara har også blitt med i et EU prosjekt på mer effektiv utnyttelse av energien i reaktorsystemet sitt ved hjelp av katalyse kombinert med varmeveksling. Ellers regner TOPCAT prosjektet med å publisere 3 artikler i 2015.

One of the major routes for the utilisation of Norwegian Natural Gas resources, and general on the world scale is in the production of fertiliser (production approx. 100.000.000 ton/ year). Ammonia is produced from Natural gas, and ammonia oxidation over platinum-rhodium gauze catalysts at high temperatures and short contact times is one of the important steps in production of nitric acid a cornerstone in fertilizer production. This critical step is an energy intensive high temperature process in which a major challenge is continual loss of the valuable platinum metal from the catalyst. During operation the catalytic material undergoes dramatic changes, including extreme reconstruction with formation of excrescences resembling cauliflowers and a continuou s loss of noble metals through the gas phase. These changes in the material have significant economic implications on the industrial processes. The issue of surface reconstruction and catalyst modification under operating conditions is a generic issue for many catalytic processes. The present project aims at utilizing and building competence in reproducing the industrial conditions at lab scale and applying advanced surface characterization techniques tailor-made for the study of these types of changes. The goal is to make the knowledge and expertise more generally available by active dissemination through the involvement of the industrial partners. A central topic will be to assess whether the cauliflower shaped reconstructions are essential for the cat alytic process or if they are merely a consequence of it, and also to determine the role of formation of noble metal oxides in the catalytic process. By developing the methods and applying the techniques needed for obtaining detailed insight into the proc esses behind the reconstruction and the factors affecting it, in addition to attaining a more general understanding of the surface reconstruction in such high temperature ammonia oxidation processes.