The depth of the sulfate-methane transition (SMT) above gas hydrate systems is a direct proxy to interpret upward methane flux and hydrate saturation. However, two competing reaction pathways can potentially form the SMT. Moreover, the pore water profiles across the SMT in shallow sediment show broad variability leading to different interpretations for how carbon, including CH4, cycles within gas-charged sediment sequences over time. The amount and distribution of marine gas hydrate impacts the chemistry of several other dissolved pore water species such as the dissolved inorganic carbon (DIC). A one-dimensional (1-D) numerical model is developed to account for downhole changes in pore water constituents, and transient and steady-state profiles are generated for three distinct hydrate settings. The model explains how an upward flux of CH4 consumes most SO42- at a shallow SMT implying that anaerobic oxidation of methane (AOM) is the dominant SO42- reduction pathway, and how a large flux of 13C-enriched DIC enters the SMT from depth impacting chemical changes across the SMT. Crucially, neither the concentration nor the d13C of DIC can be used to interpret the chemical reaction causing the SMT. The overall thesis objective is to develop generalized models building on this 1-D framework to understand the primary controls on gas hydrate occurrence. Existing 1-D models can provide first-order insights on hydrate occurrence, but do not capture the complexity and heterogeneity observed in natural gas hydrate systems. In this study, a two-dimensional (2-D) model is developed to simulate multiphase flow through porous media to account for heterogeneous lithologic structures (e.g., fractures, sand layers) and to show how focused fluid flow within these structures governs local hydrate accumulation. These simulations emphasize the importance of local, vertical, fluid flux on local hydrate accumulation and distribution. Through analysis of the fluid fluxes in 2-D systems, it is shown that a local Peclet number characterizes the local hydrate and free gas saturations, just as the Peclet number characterizes hydrate saturations in 1-D, homogeneous systems. Effects of salinity on phase equilibrium and co-existence of hydrate and gas phases can also be investigated using these models. Finally, infinite slope stability analysis assesses the model to identify for potential subsea slope failure and associated risks due to hydrate formation and free gas accumulation. These generalized models can be adapted to specific field examples to evaluate the amount and distribution of hydrate and free gas and to identify conditions favorable for economic gas production.

Η μετατροπή του φυσικού αερίου προς αέριο σύνθεσης αποτελεί εξαιρετικά σημαντική διεργασία αφού το αέριο σύνθεσης είναι απαραίτητο για την παραγωγή μεθανόλης και τη σύνθεση Fischer-Tropsch. Η ευρύτερα διαδεδομένη διεργασία για τη μετατροπή του μεθανίου – το οποίο αποτελεί το κυριότερο συστατικό του φυσικού αερίου - προς αέριο σύνθεσης είναι η αναμόρφωσή του με ατμό. Τα τελευταία χρόνια όμως ερευνήθηκαν κι άλλες μέθοδοι παραγωγής αερίου σύνθεσης από μεθάνιο όπως η αναμόρφωση με CO2, η καταλυτική και μη μερική οξείδωση του μεθανίου κ.ά. Μεταξύ των διεργασιών που προαναφέρθηκαν η καταλυτική μερική οξείδωση του μεθανίου προς αέριο σύνθεσης κερδίζει έδαφος σε ερευνητικό επίπεδο. Η διεργασία παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως το γεγονός ότι δεν είναι τόσο ισχυρά εξώθερμη όσο η καύση του μεθανίου προς CO2 και Η2, καθώς και το γεγονός ότι η αναλογία του παραγόμενου αερίου σύνθεσης είναι CO/H2 : ½ αναλογία που είναι η απαραίτητη για την παραγωγή μεθανόλης και τη σύνθεση Fischer-Tropsch. Η μερική οξείδωση του μεθανίου προς αέριο σύνθεσης έχει μελετηθεί εκτενώς σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης. Λόγω όμως των μειονεκτημάτων που παρουσιάζουν κυριότερα από τα οποία είναι η ανάπτυξη θερμών κηλίδων λόγω της εξώθερμης καύσης που λαμβάνει χώρα στην καταλυτική κλίνη και η υψηλή πτώση πίεσης, η έρευνα στράφηκε στην αναζήτηση νέου τύπου αντιδραστήρων. Στην παρούσα εργασία η μερική οξείδωση του μεθανίου προς αέριο σύνθεσης μελετήθηκε σε αντιδραστήρα τοιχώματος θερμικής ολοκλήρωσης και σε μονολιθικό αντιδραστήρα. Ο αντιδραστήρας τοιχώματος θερμικής ολοκλήρωσης αποτελείται από ένα κεραμικό μη πορώδη σωλήνα υψηλής θερμικής αγωγιμότητας στον οποίο εναποτίθεται καταλύτης σε μορφή συνεχούς φιλμ. Ο αντιδραστήρας εσωκλείεται σε ένα δεύτερο σωλήνα που μπορεί να είναι από κεραμικό ή χαλαζία. Λόγω της κατασκευής του αντιδραστήρα υπάρχει δυνατότητα εναπόθεσης του καταλύτη στο εσωτερικό και στο εξωτερικό τοίχωμα του κεραμικού σωλήνα. Ο καταλύτης που χρησιμοποιήθηκε ήταν Rh/Al2O3. Μελετήθηκε η επίδραση του τρόπου εναπόθεσης του καταλύτη, η μεταβολή της παροχής εισόδου, η μεταβολή της θερμοκρασίας του φούρνου και η επίδραση της ποσότητας του καταλύτη που εναποτίθεται στον αντιδραστήρα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η εναπόθεση κατάλληλης ποσότητας καταλύτη στην εξωτερική και εσωτερική επιφάνεια του αντιδραστήρα μπορεί να οδηγήσει σε ομοιόμορφο θερμοκρασιακό προφίλ κατά μήκος του αντιδραστήρα αφού η θερμότητα που παράγεται στην εσωτερική επιφάνεια του αντιδραστήρα κατά την εξώθερμη καύση, μεταφέρεται μέσω του τοιχώματος στην εξωτερική επιφάνεια όπου πραγματοποιούνται οι ενδόθερμές αντιδράσεις αναμόρφωσης. Η απουσία θερμών κηλίδων δίνει τη δυνατότητα χρήσης υψηλών παροχών εισόδου. Από τα πειραματικά αποτελέσματα υπήρχαν ενδείξεις ότι μέρος του παραγόμενου CO παράγεται μέσω του άμεσου σχήματος. Η μερική οξείδωση του μεθανίου προς αέριο σύνθεσης μελετήθηκε και σε μονολιθικό αντιδραστήρα. Το κυριότερο πλεονέκτημα των μονολιθικών αντιδραστήρων είναι η χαμηλή πτώση πίεσης και η μεγάλη ενεργός επιφάνεια. Ο καταλύτης που εναποτέθηκε στο εσωτερικό των καναλιών του μονόλιθου ήταν 0.5% Ru/TiO2 (2%CaO) ο οποίος είναι ενεργός και σταθερός για την μερική οξείδωση του μεθανίου προς αέριο σύνθεσης. Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε μονολιθικό αντιδραστήρα μελετήθηκε η επίδραση της μεταβολής της παροχής, της μεταβολής της θερμοκρασίας του φούρνου, καθώς και η σύσταση του μίγματος εισόδου. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι αρχικά λαμβάνει χώρα η εξώθερμη καύση του μεθανίου προς CO2 και Η2Ο και ακολουθούν οι αντιδράσεις αναμόρφωσης. Η καύση του μεθανίου ευνοείται σε χαμηλή θερμοκρασία ενώ οι αντιδράσεις αναμόρφωσης ευνοούνται σε υψηλή θερμοκρασία φούρνου. Η μετατροπή μεθανίου και η εκλεκτικότητα προς αέριο σύνθεσης επηρεάζονται τόσο από τη παροχή εισόδου όσο και από τη θερμοκρασία του φούρνου. Σημαντικό παράγοντα για τη διατήρηση της σταθερότητας του καταλύτη αποτελεί το μέγεθος των κόκκων του καταλύτη η διάμετρος των οποίων πρέπει να είναι d<0.09mm. Προκειμένου να γίνει πρόβλεψη των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα σε ένα μονολιθικό αντιδραστήρα καταστρώθηκε μοντέλο το οποίο προσομοίαζε το μονολιθικό αντιδραστήρα κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Θεωρήθηκε ότι ο καταλύτης που έχει εναποτεθεί στο μονόλιθο ήταν 0.5% Ru/TiO2 (2%CaO). Μελετήθηκε η επίδραση της αρχικής θερμοκρασίας, της αρχικής πίεσης, της σύστασης και της παροχής εισόδου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι μπορεί να προβλεφθεί ποιοτικά η ανάπτυξη του θερμοκρασιακού προφίλ κατά μήκος του μονόλιθου, καθώς και οι τιμές της μετατροπής μεθανίου και της εκλεκτικότητας προς CO και Η2. Η παράλειψη κάποιων παραδοχών ώστε να προσεγγίζονται καλύτερα οι πραγματικές συνθήκες λειτουργίας του αντιδραστήρα θα οδηγούσε στην προσέγγιση των πειραματικών αποτελεσμάτων με εκείνα που προβλέπονται από τους υπολογισμούς όχι μόνο ποιοτικά αλλά και ποσοτικά. / The conversion of natural gas to synthesis gas is a very important process because synthesis gas is necessary for the Fischer-Tropsch synthesis and also for the production of methanol. The most common process for producing synthesis gas from natural gas is the steam reforming of methane, since methane is the main component of natural gas. Recently, a significant amount of effort has been directed to processes alternative to steam reforming of methane such as CO2 reforming, catalytic and not catalytic partial oxidation of methane, e.t.c. Among the above mentioned processes partial oxidation of methane seems to be the most attractive alternative to steam reforming of methane for converting natural gas to synthesis gas, owing to a number of advantages. The most important among them are, the small amount of heat that is produced during the reaction compared to the heat that is produced during the combustion of methane to CO2 and H2O, and the ratio of the produced synthesis gas which is CO/H2 : ½ which is exactly the necessary ratio for the Fischer Tropsch and methanol synthesis. The catalytic partial oxidation of methane to synthesis gas has been studied using fixed bed reactors, mainly. Due το the disadvantages of this kind of reactors such as the development of hot spots during the combustion of methane and the high pressure drop, the study of partial oxidation of methane has been made in other kind of reactors such as fluidized bed reactors, honeycomb reactors, auto-thermal reactors, e.t.c. In the present study the catalytic partial oxidation of methane has been studied in a Heat Integrated Wall Reactor (HIWAR) and also in a monolithic reactor. The Heat Integrated Wall Reactor consists of a non-porous ceramic tube of high thermal conductivity in the inner and outer surface of which the catalytic film is deposited. The tube is enclosed in another tube, which can be ceramic or quartz. Because of the way of construction of the reactor the catalyst that is deposited in the inner surface of the ceramic tube can be different from the one that is deposited on the outer surface of the tube. The catalyst that was used for the study of the partial oxidation to synthesis gas in the Heat Integrated Wall Reactor was Rh/Al2O3. The factors the influence of which was studied here were the type of deposition of the catalyst film on the tube, the furnace temperature, the flow rate and the amount of catalyst that was deposited in the inner and outer surface of the tube. The experimental results indicated that there is an optimum amount of catalyst that can be deposited on the inner and outer surface of the reactor in order to obtain a flat temperature profile without the development of hot spots. The range of flow rates that can be used in the HIWAR is bigger than the range that can be used in a conventional reactor, due to the absence of hot spots. Some experimental results also indicated that part of CO is produced via the direct scheme. Partial oxidation of methane to synthesis gas had been studied in a monolithic reactor as well. The main advantages of monolithic reactors are the very low pressure drop and the high surface area. The catalyst that was used during this study was 0.5% Ru/TiO2 (1%CaO), which is a very active and stable catalyst for this reaction. During the experiments that took place in the monolithic reactor the factors the influence of which was studied here were the flow rate, the furnace temperature and the feed composition. The experimental results indicated that the combustion of methane takes place initially which is followed by the endothermic reforming reactions. The combustion of methane to CO2 and H2O is favored in low temperatures while the endothermic reforming reaction is favored in high temperatures. Methane conversion as well as CO and H2 selectivity change as the flow rate and furnace temperatures change. Experimental results indicated that a catalyst grain diameter less than 0,09 mm is necessary for the catalyst to be stable during the reaction. In order to predict the behavior of factors such as temperature, methane conversion and CO and H2 selectivity during the catalytic partial oxidation of methane in a monolithic reactor, a one-dimensional model was developed in order to simulate the monolithic reactor during the reaction. The calculations were based on the rate equations that were developed using experimental results for the 0,5%Ru/TiO2 (1% CaO). The influence of the initial temperature, initial pressure, flow rate and feed composition were studied. Comparison of the results of the simulations against those of the experimental studies indicated that calculations qualitatively predict the behavior of the reactor but not quantitatively, probably due to the assumptions that were introduced during the development of the model, i.e. one dimensionality of the model, uncertainties in the rate expressions etc. Relaxing some of those assumptions in order to approach the real operating conditions of the reactor is expected to enhance quantitative agreement between the experimental and numerical results.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nickel-based catalysts with perovskite like structure have shown promising application in several catalytic reactions such as in the partial oxidation of methane to obtain syngas (H2 + CO). However, these properties are potentially influenced by synthesis methods, calcinations conditions (temperature, time and atmosphere) and substitutions of sites A and/or B in the structure. The effects of these variables have been studied with the aim of improving the performance of catalysts in the production of syngas and to avoid deactivation resulting from coke deposition. In the present study, nickel-based catalysts (LaNiO3) with perovskite like structure were prepared by polymeric precursors, chelating precursors and gel modified proteic methods. All samples were subjected to thermal treatment and then calcined at 700 °C (for 1 or 2 h) to obtain the targed phase. LaNiO3 catalysts calcined at 700 °C with the lowest content of chelating agents were supported on alumina. The resulting ceramic powders were characterized by X-ray diffraction, infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis, specific surface area, scanning electron microscopy and temperature programmed reduction tests. XRD patterns of the powders calcined at 700 °C showed the formation of perovskite phase in all samples. The characteristic peaks of perovskite phase were also found in the samples supported on alumina. Temperature programmed profiles of samples revealed the presence of two peaks with maximum at 368 °C and 482 °C. Calcined samples supported on alumina were used in the partial oxidation of methane to evaluate the level of CH4 conversion and selectivity to H2 and CO. LaNiO3 catalyst obtained through chelating precursor method showed the highest performance of methane conversion in the range of 50% and selectivity (about 60%), for 18 h of time reaction. / Os catalisadores a base de níquel com estrutura perovsquita têm se mostrado promissores na aplicação em diversas reações catalíticas, tal como, oxidação parcial do metano para obtenção de gás de síntese (H2 + CO). No entanto, as propriedades destes são potencialmente influenciadas pelo método de síntese, condições de calcinação (temperatura, tempo e atmosfera) e substituições dos sítios A e/ou B na estrutura. Os efeitos destas variáveis têm sido estudados, com o objetivo de aperfeiçoar o desempenho dos catalisadores na produção de gás de síntese e evitar a desativação destes por deposição de coque. No presente trabalho, catalisadores a base de níquel (LaNiO3) com estrutura perovsquita foram preparados através de três métodos: precursores poliméricos, precursores quelantes e gel proteico modificado. Todas as amostras foram submetidas a um tratamento térmico e, em seguida, calcinadas a 700°C (por 1 h ou 2 h) para obtenção da fase desejada. As perovsquitas do tipo LaNiO3 calcinadas a 700 °C com o menor teor de agentes quelantes foram suportadas em alumina. Os pós obtidos foram caracterizados por difratometria de raios X, espectroscopia na região do infravermelho, termogravimetria, área superficial específica, microscopia eletrônica de varredura e redução à temperatura programada. Os difratogramas dos pós calcinados a 700 °C mostraram a formação da fase perovsquita em todas as amostras. Nos difratogramas dos materiais suportados foram observados picos característicos da fase perovsquita e do suporte. Os perfis de redução à temperatura programada das amostras apresentaram dois picos de redução com máximos a 368 °C e 482 °C. As amostras calcinadas a 700 °C e suportadas em alumina foram testadas na reação de oxidação parcial do metano, sendo avaliados os respectivos níveis de conversão do metano e seletividade a CO e H2. Dentre os catalisadores estudados, o catalisador LaNiO3 obtido pelo método dos precursores quelantes e suportado em alumina foi o que apresentou maior nível de conversão de metano, na faixa de 50%, e maior seletividade ao H2 (aproximadamente 60%), durante 18 h de reação.

L'oxydation anaérobie du méthane (AOM) couplé à la réduction du sulfate (AOM-SR) est un processus biologique médié par méthanotrophes anaérobie (ANME) et de bactéries sulfato-réductrices. La communauté scientifique s'inquiète de AOM, en raison de sa pertinence dans la régulation du cycle global du carbone et de la potentielle application biotechnologique pour le traitement de sulfate riches eaux usées.Pour améliorer les connaissances récentes sur les conditions de distribution et d'enrichissement ANME, cette recherche a étudié AOM-SR avec les objectifs suivants: (i) caractériser les communautés microbiennes responsables de AOM dans les sédiments marins, (ii) de les enrichir dans les bioréacteurs avec différentes configurations, à savoir bioréacteur à membrane (MBR), filtre biotrickling (BTF) et bioréacteur à haute pression (HPB), et (iii) d'évaluer l'activité de l'ANME et le processus AOM dans différentes conditions de pression et de température.Les microbes habitant peu profonde dans les sédiments de Marine lac Grevelingen (Pays-Bas) ont été caractérisés et leur capacité de faire AOM-SR a été évaluée. Un test d'activité a été réalisée en discontinu pour 250 jours, AOM-SR est mise en évidence par la production de sulfure et de la prise concomitante de sulfate et de méthane dans des rapports équimolaires et il a été atteint 5 µmoles par gramme de poids par jour de taux de réduction du sulfate. L'analyse des séquences de gènes 16SrRNA a montré la présence de méthanotrophes anaérobie ANME-3 dans les sédiments marins du lac Grevelingen.Deux configurations de bioréacteurs, à savoir MBR et BTF ont été opérés dans des conditions ambiantes pendant 726 jours et 380 jours, respectivement, pour enrichir les micro-organismes de Ginsburg Mud Volcano performantes AOM. Les réacteurs sont exploités en mode fed-batch pour la phase liquide avec un apport continu de méthane. Dans le MBR, une membrane d'ultrafiltration externe a été utilisée pour retenir la biomasse, alors que, dans la BTF, la rétention de biomasse a été accomplie par la fixation de la biomasse sur le matériau d'emballage. AOM-SR a été enregistrée seulement après ~ 200 jours dans les deux configurations de bioréacteurs. L'opération du BTF a montré l'enrichissement de l'ANME dans le biofilm par la méthode Illumina Miseq, en particulier ANME-1 (40%) et ANME-2 (10%). Dans le MBR, les agrégats d'ANME-2 et Desulfosarcina ont été visualisées par CARD-FISH. La production d'acétate a été observée dans le MBR, ce qui indique que l'acétate était un possible intermédiaire d'AOM. Bien que les deux configurations de bioréacteurs ont montré de bonnes performances, le taux de réduction du sulfate était légèrement plus élevée et plus rapide dans la BTF (1,3 mM par jour âpres 280 jours) que le MBR (0,5 mM par jour jour âpres 380 jours).Afin de simuler les conditions de suintement froid et de différencier l'impact des conditions environnementales sur AOM, les sédiments fortement enrichi avec le clade ANME-2a ont été incubées dans HPB à différentes températures (4, 15 et 25 °C à 100 bars) et pressions (20, 100, 200 et 300 bar à 15 °C). L'incubation à une pression de 100 bar et 15 ° C a été observé comme la condition la plus appropriée pour la phylotype ANME-2a, qui est similaire aux conditions in situ (Capitaine Aryutinov Mud Volcano, Golfe de Cadix). L'incubation de ce sédiment aux conditions in situ pourrait être une option privilégiée pour obtenir une activité AOM-SR plus élevée.Dans cette thèse, il a été démontré expérimentalement que la rétention de la biomasse et l'approvisionnement continu de méthane peuvent favoriser la croissance de la lente communauté microbienne qui oxyde le méthane en anaérobiose dans des bioréacteurs, même dans des conditions ambiantes. Par conséquent, la localisation des habitats de ANME dans des environnements peu profonds et l'enrichissant dans des conditions ambiantes peut être avantageuse pour les futures applications de la biotechnologie environnementale / Anaerobic oxidation of methane (AOM) coupled to sulfate reduction (AOM-SR) is a biological process mediated by anaerobic methanotrophs (ANME) and sulfate reducing bacteria. Due to its relevance in regulating the global carbon cycle and potential biotechnological application for treating sulfate-rich wastewater, AOM-SR has drawn attention from the scientific community. However, the detailed knowledge on ANME community, its physiology and metabolic pathway are scarcely available, presumably due to the lack of either pure cultures or the difficulty to enrich the biomass. To enhance the recent knowledge on ANME distribution and enrichment conditions, this research investigated AOM-SR with the following objectives: (i) characterize the microbial communities responsible for AOM in marine sediment, (ii) enrich ANME in different bioreactor configurations, i.e. membrane bioreactor (MBR), biotrickling filter (BTF) and high pressure bioreactor (HPB), and (iii) assess the AOM-SR activity under different pressure and temperature conditions.The microbes inhabiting coastal sediments from Marine Lake Grevelingen (the Netherlands) was characterized and the ability of the microorganisms to carry out AOM-SR was assessed. By performing batch activity tests for over 250 days, AOM-SR was evidenced by sulfide production and the concomitant consumption of sulfate and methane at approximately equimolar ratios and a sulfate reduction rate of 5 µmol sulfate per gram dry weight per day was attained. Sequence analysis of 16S rRNA genes showed the presence of ANME-3 in the Marine Lake Grevelingen sediment.Two bioreactor configurations, i.e. MBR and BTF were operated under ambient conditions for 726 days and 380 days, respectively, to enrich the microorganisms from Ginsburg Mud Volcano performing AOM. The reactors were operated in fed-batch mode for the liquid phase with a continuous supply of gaseous methane. In the MBR, an external ultra-filtration membrane was used to retain the biomass, whereas, in the BTF, biomass retention was achieved via biomass attachment to the packing material. AOM-SR was recorded only after ~ 200 days in both bioreactor configurations. The BTF operation showed the enrichment of ANME in the biofilm by Illumina Miseq method, especially ANME-1 (40%) and ANME-2 (10%). Interestingly, in the MBR, aggregates of ANME-2 and Desulfosarcina were visualized by CARD-FISH. Acetate production was observed in the MBR, indicating that acetate was a possible intermediate of AOM. Although both bioreactor configurations showed good performance and resilience capacities for AOM enrichment, the sulfate reduction rate was slightly higher and faster in the BTF (1.3 mM day-1 at day 280) than the MBR (0.5 mM day-1 at day 380).In order to simulate cold seep conditions and differentiate the impact of environmental conditions on AOM activities, sediment highly enriched with the ANME-2a clade was incubated in HPB at different temperature (4, 15 and 25 oC at 100 bar) and pressure (20, 100, 200 and 300 bar at 15 oC) conditions. The incubation at 100 bar pressure and 15 oC was observed to be the most suitable condition for the ANME-2a phylotype, which is similar to in-situ conditions where the biomass was sampled, i.e. Captain Aryutinov Mud Volcano, Gulf of Cadiz. The incubations at 200 and 300 bar pressures showed the depletion in activities after 30 days of incubation. Incubation of AOM hosting sediment at in-situ condition could be a preferred option for achieving high AOM activities and sulfate reduction rates.In this thesis, it has been experimentally demonstrated that biomass retention and the continuous supply of methane can favor the growth of the slow growing anaerobic methane oxidizing community in bioreactors even under ambient conditions. Therefore, locating ANME habitats in shallow environments and enriching them at ambient conditions can be advantageous for future environmental biotechnology applications

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε η μελέτη της φύσης των επιφανειακών ειδών άνθρακα που δημιουργούνται στην επιφάνεια κεραμομεταλλικών υλικών βασισμένα στο Ni-YSZ κατά την θερμοδυναμική ισορροπία της διασπαστικής ρόφησης του μεθανίου. Κύριος στόχος της μελέτης ήταν να διερευνηθεί η επίδραση της παρουσίας ενός δεύτερου μετάλλου στο Ni-YSZ, όσον αφορά τον σχηματισμό και/ή την αναστολή του ανενεργού άνθρακα. Η επικάλυψη της επιφάνειας του Ni με μικρή ποσότητα Au (≤1%at σε σχέση με το Ni) επηρέασε σημαντικά την κινητική της διασπαστικής ρόφησης του CH4 και την ενέργεια δεσμού των ροφημένων ειδών CHx στην επιφάνεια του Ni. Ο σχηματισμός γραφιτικού άνθρακα παρεμποδίστηκε, ενώ η επιφανειακή δραστικότητα για την υδρογόνωση των CHx προς CH4 ήταν χαμηλότερη από ότι στον Ni-YSZ. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την υψηλότερη σταθερότητα και την επιμήκυνση του χρόνου ζωής των CHx πάνω στην επιφάνεια του NiAu/YSZ πριν την διάσπαση τους προς επιφανειακά καρβιδικά είδη. Με βάση τις πειραματικές μετρήσεις, προτάθηκε κινητικό μοντέλο για την περιγραφή της μερικής οξείδωσης του μεθανίου για την παραγωγή αερίου σύνθεσης. Οι αντιδράσεις οξείδωσης περιλαμβάνουν την οξείδωση των ειδών CHx προς CHxO και την επακόλουθη διασπασή τους σε υψηλές θερμοκρασίες (700 Κ) προς CO και H2, ενώ τα καρβιδικά είδη οξειδώνονται εκλεκτικά προς CO2 από χαμηλότερες θερμοκρασίες (500 Κ). Από αυτή την άποψη, η εκλεκτικότητα ως προς το αέριο σύνθεσης εξαρτάται από δύο παράγοντες: (i) τον χρόνο ζωής και την επιφανειακή συγκέντρωση των ειδών CHx, και (ii) τη θερμοκρασία διάσπασης των ειδών CHxO. Ως γενικό συμπέρασμα, ο ηλεκτροκαταλύτης Ni(1%at Au)/YSZ αναμένεται να έχει υψηλή αντοχή στην εναπόθεση άνθρακα όπως και εκλεκτικότητα για την μερική οξείδωση του CH4 προς αέριο σύνθεσης. / In order to investigate the possibility of the direct introduction of CH4 into a SOFC, the dissociative adsorption of CH4 and the nature of the various carbon adspecies on Ni-based cermets were studied in the present thesis by means of thermodynamic equilibrium measurements and temperature programming methods. The aim of this study was mainly to elucidate the effect of a second metal addition on Ni-YSZ, regarding the formation and/or inhibition of inactive carbon. The decoration of the Ni surface with very small quantity of Au (≤1at% with respect to Ni) affected significantly both the kinetics of CH4 dissociative adsorption and the binding strength of the adsorbed CHx species on the Ni surface. The formation of graphitic carbon was significantly inhibited, while the surface reactivity towards the hydrogenation of CHx species into CH4 was lower than on the unmodified Ni/YSZ surface. This resulted in the higher stability and elongation of the CHx species life time on the NiAu/YSZ surface prior to their decomposition into surface carbidic species. Based on the experimental results and discussion, a kinetic model is proposed for the description of the partial oxidation of methane towards the production of synthesis gas. The oxidation reactions involve both the oxidation of CHx species into CHxO and its subsequent decomposition at elevated temperatures (700 K) into CO and H2, while carbidic species are selectively oxidized into CO2 at temperatures as low as 500 K. In this respect, the selectivity towards synthesis gas depends on two factors: (i) the lifetime and surface concentration of CHx species, and (ii) the decomposition temperature of the CHxO species. As a conclusion, the Ni(1%at Au with respect to Ni)/YSZ catalyst is expected to be highly carbon tolerant and selective catalyst/electrode for the CH4 partial oxidation reaction for the production of synthesis gas.

Η τεχνολογία κυψελίδων καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη είναι αρκετά ελκυστική για την συμπαραγωγή αερίου σύνθεσης και ηλεκτρικής ενέργειας. Το κυριότερο μειονέκτημα είναι η εναπόθεση άνθρακα στο ανοδικό ηλεκτρόδιο λόγω της διασπαστικής ρόφησης του CH4. Σε μια θεωρητική μελέτη, οι Besenbacher et al συμπέραναν ότι η παρουσία μικρής ποσότητας Αu σε υποστηριγμένο καταλύτη Ni οδηγεί σε σημαντική μείωση την εναπόθεση άνθρακα. Σε αντίστοιχα συμπεράσματα κατέληξαν και οι Τριανταφυλλόπουλος και Νεοφυτίδης μελετώντας τα είδη του άνθρακα που δημιουργούνται πάνω στο Ni(1%at Au)-YSZ κατά την διασπαστική ρόφηση του μεθανίου. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η ηλεκτροχημική δραστικότητα διμεταλλικών ηλεκτροδίων Ni(Au1%at)-YSZ και Ni(Ag1%at)-YSZ για την μερική οξείδωση του μεθανίου καθώς και για την εσωτερική αναμόρφωση του μεθανίου με ατμό σε κυψελίδες καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη. Τα ηλεκτρόδια παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της επιτόπου πυρανάφλεξης (in situ combustion synthesis, μέθοδος σχετικά χαμηλής θερμοκρασίας που δημιουργεί νανοδομημένα ηλεκτρόδια) και μελετήθηκαν ως προς την ηλεκτροκαταλυτική συμπεριφορά τους για την εσωτερική αναμόρφωση του μεθανίου με ατμό. Τα πειράματα θερμοσταθμικής ανάλυσης, τα κινητικά πειράματα καθώς και οι ηλεκτροχημικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν, συντέλεσαν το καθένα με το τρόπο του, στην εξαγωγή του γενικότερου συμπεράσματος ότι τα διμεταλλικά ηλεκτρόδια Ni(Au1%at)-YSZ και Ni(Ag1%at)-YSZ είναι πολύ πιο σταθερά και ανθεκτικά στην εναπόθεση άνθρακα από το ‘συμβατικό’ ηλεκτρόδιο Ni-YSZ υπό τις συνθήκες της εσωτερικής αναμόρφωσης μεθανίου με ατμό που μελετήθηκαν. Τα ανοδικά αυτά ηλεκτρόδια επομένως φαίνεται να αποτελούν ενδιαφέρουσες επιλογές για χρήση στις κυψελίδες καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη που λειτουργούν με μεθάνιο ακόμη και σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες (μέχρι και 1173K) για τα NiAu-YSZ, ή σε χαμηλότερες (έως 973-1023K) για τα NiAg-YSZ. / The technology of solid oxide fuel cells seems quite attractive for the cogeneration of synthesis gas and electrical energy. A major bottleneck that has delayed the widespread use of this technology has always been the anode’s contamination with carbon due to the dissociative adsorption of methane. In a theoretical study, Besenbacher et al concluded that small quantities of Au on a supported Ni catalyst can minimize carbon deposition. Triantafyllopoulos and Neophytides reached similar results while studying the carbon adspecies that are formed on a Ni(1%at Au)-YSZ electrocatalyst during the dissociative adsorption of methane. The present study focused on the electrochemical activity of Ni(Au1%at)-YSZ and Ni(Ag1%at)-YSZ bimetallic electrodes under internal steam reforming conditions of methane in solid oxide fuel cells. The bimetallic electrodes were prepared by the combustion synthesis method, which is a relatively low temperature procedure that produces nanostructured electrodes, and their electrochemical behavior was investigated under internal steam reforming conditions. The thermogravimetric analysis, the electrochemical experiments as well as the kinetic measurements that were conducted, each one of them helped in reaching the general conclusion that the Ni(Au1%at)-YSZ and Ni(Ag1%at)-YSZ bimetallic electrodes are much more stable and carbon tolerant than the conventional Ni-YSZ electrode, at least under the steam reforming conditions of methane that they were studied. So these anodic electrodes seem to be interesting candidates for use in solid oxide fuel cells that operate with methane feed even at high temperatures (such as 1173K) for the NiAu-YSZ anodes, or at lower temperatures (up to 973-1023K) for the NiAg-YSZ anodes.