Fischer-Tropsch synthesis (FTS), developed in the early 1900's, is defined as the catalytic conversion of H2 and CO to hydrocarbons and oxygenates with the production of H2O and CO2. Accurate microkinetic modeling can in principle provide insights into catalyst design and the role of promoters. This work focused on gaining an understanding of the chemistry of the kinetically relevant steps in FTS on Fe catalyst and developing a microkinetic model that describes FTS reaction kinetics. Stable Al2O3-supported/promoted (20% Fe, 1% K, 1% Pt) and unsupported Fe (99% Fe, 1% Al2O3) catalysts were prepared and characterized. Transient experiments including temperature programmed desorption (TPD), temperature programmed hydrogenation (TPH), and isothermal hydrogenation (ITH) provided insights into the chemistry and energetics of the early elementary reactions in FTS on Fe catalyst. Microkinetic models of CO TPD, ITH, and FTS were developed for Fe catalyst by combining transition state theory and UBI-QEP formalism. These models support the conclusion that hydrocarbon formation occurs on Fe via a dual mechanism involving surface carbide and formyl intermediates; nevertheless, hydrocarbon formation is more favorable via the carbide mechanism. Carbon hydrogenation was found to be the rate determining step in the carbide mechanism. CO heat of adsorption on polycrystalline Fe at zero coverage was estimated to be -91.6 kJ/mol and -64.8 kJ/mol from ITH and FTS models respectively, while a mean value of -50.0 kJ/mol was estimated from the TPD model. Statistically designed steady-state kinetic experiments at conditions similar to industrial operating conditions were used to obtain rate data. The rate data were used to develop a microkinetic model of FTS. FTS and ITH appear to follow similar reaction pathways, although the energetics are slightly different. In both cases, hydrocarbon formation via the carbide mechanism was more favorable than via a formyl intermediate while carbon hydrogenation was the rate determining step. Promotion of Fe with K does not alter Fischer-Tropsch synthesis reaction pathways but it does alter the energetics for the steps leading to the formation of CO2. This phenomenon accounts for the CO2 selectivity of 0.3 observed for K-promoted Fe against 0.17 observed for un-promoted Fe. A Langmuir Hinshelwood rate expression derived from the microkinetic model was put into a fixed bed FTS reactor design code; calculated reactor sizes, throughput, temperature profiles and conversion are similar to those of pilot and demonstration FTS reactors with similar feed rates and compositions.

Κατά τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται συνεχής αύξηση της έντασης του φαινομένου του θερμοκηπίου γεγονός που προκαλεί σημαντικές συνέπειες στο περιβάλλον και στη ζωή μας γενικότερα. Συνεπώς, είναι απαραίτητη η μείωση της ανθρωπογενούς εκπομπής των αερίων που συμβάλλουν στην αύξηση του φαινομένου αυτού. Η εκμετάλλευση και χρήση των δύο πιο σημαντικών θερμοκηπικών αερίων, του μεθανίου και του διοξειδίου του άνθρακα, μπορεί να επιτευχθεί με την αναμόρφωση του CH4 με CO2 ή αλλιώς ξηρή αναμόρφωση του μεθανίου (Dry Reforming of Methane-DRM). Με τη διεργασία DRM τα δύο συγκεκριμένα αέρια μετατρέπονται σε αέριο σύνθεσης (synthesis gas), το οποίο χρησιμοποιείται είτε για τη σύνθεση πληθώρας οργανικών ενώσεων, είτε για την παραγωγή Η2 για ενεργειακούς σκοπούς. Η DRM παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα: δεν απαιτείται η χρήση ύδατος, φθηνό σχετικά κόστος εγκαταστάσεων, χρησιμοποιείται σε χημικά συστήματα μεταφοράς ενέργειας, ενώ και το αέριο σύνθεσης που παράγεται έχει ακόμα κατάλληλη αναλογία για συνθέσεις Fischer–Tropsch. Παρόλα αυτά η DRM δεν έχει εκτεταμένη βιομηχανική εφαρμογή επειδή αντιμετωπίζει ένα σημαντικό μειονέκτημα: ο καταλύτης μετά από κάποιο χρόνο λειτουργίας απενεργοποιείται λόγω του άνθρακα που αποτίθεται πάνω του. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε ο state of the art καταλύτης Ni/Al2O3, τον οποίο τροποποιήσαμε με βόριο σε διάφορους λόγους [Β/(B+Νi)] με κύριο στόχο τη μείωση των ανθρακούχων αποθέσεων. Οι τροποποιημένοι καταλύτες συντέθηκαν με τη μέθοδο του υγρού συνεμποτισμού και χαρακτηρίστηκαν φυσικοχημικά με διάφορες τεχνικές, ώστε να μελετήσουμε την επίδραση του βορίου στην υφή τους (ΒΕΤ, porosimetry, SEM, TEM), στη δομή τους (XRD, UV-Vis DRS) και στην αναγωγιμότητά τους (H2-TPR). Η καταλυτική συμπεριφορά τους για την αντίδραση της ξηρής αναμόρφωσης του μεθανίου αξιολογήθηκε σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης, για 24h, σε συνθήκες: 973Κ, 1 atm, τροφοδοσία 50%CH4-50%CO2. Ο άνθρακας που αποτέθηκε στους χρησιμοποιημένους καταλύτες μετρήθηκε με τη μέθοδο της θερμοπρογραμματισμένης υδρογόνωσης (TPH). Τα ανηγμένα και χρησιμοποιημένα στην DRM καταλυτικά δείγματα μελετήθηκαν επίσης με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM με αναλυτή EDS) και ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διαπερατότητας (ΤΕΜ). Βρέθηκε ότι η παρουσία του Β μειώνει σημαντικά την ποσότητα του αποτιθέμενου άνθρακα στους καταλύτες Ni/Al2O3, σε ποσοστό έως και 86%, χωρίς να επηρεάζει ιδιαίτερα τη δραστικότητα και την εκλεκτικότητα των καταλυτών. Σημαντικό ρόλο παίζει το ποσοστό του Β στον καταλύτη, με τον καταλύτη με λόγο Β/(B+Νi) = 0,5 να εμφανίζει τη βέλτιστη συμπεριφορά. Τα αποτελέσματα μας έδειξαν ότι η ιδιαίτερη θετική επίδραση του βορίου οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι ευνοεί τη διασπορά του μεταλλικού νικελίου. Τροποποίηση με βόριο, σε κατάλληλη περιοχή φορτίσεων, του καταλύτη Ni/Al2O3 μεγιστοποιεί το πλήθος των νανοσωματιδίων νικελίου με μέση διάσταση < 6.0 nm, τα οποία, ως γνωστόν, ελαχιστοποιούν την απόθεση άνθρακα. / The intensity of the greenhouse effect is constantly increasing in the last few decades with an adverse effect both on the environment and the humanity. In order to decrease the effect, human-caused emissions should be minimized. The two most important greenhouse gases, methane and carbon dioxide, can be used in the DRM (Dry Reforming of Methane) process. With this process the above mentioned gases are converted to synthesis gas, which is then used for the synthesis of a great number of organic compounds and synthetic fuels (through the Fisher-Tropsch syntheses) or for the production hydrogen to be used as a fuel (energy purposes). The DRM process presents a number of advantages, namely: no water is required, relatively low cost of process plants,it can be used as a Chemical Energy Transfer System and, finally, the produced synthesis gas has adequate CO/H2 ratio for Fisher-Tropsch syntheses. Although DRM is a promising process, its industrial application is hindered by a major drawback: the catalysts are rapidly deactivating due to coking. In the current study, the state of the art catalyst Ni/Al2O3 was studied and modified with boron, using different ratios of Β/(B+Νi). Our primary objective was to reduce coking. The modified catalysts were synthesized by wet co-impregnation and physicochemically characterized in their oxidic, reduced and used forms, using various techniques, in order to investigate the influence of boron on the texture (BET, Porosimetry, SEM, TEM), structure (XRD, UV-Vis DRS) and reducibility (H2-TPR) of the catalysts. The catalytic performance for the DRM process was studied under stable conditions (973Κ, 1 atm and 50%CH4-50%CO2 undiluted feed), for 24h, using a fixed bed reactor. Carbonaceous deposits on the used catalysts were determined by Temperature Programmed Hydrogenation (TPH). Scanning Electron Microscopy (SEM) with EDS analyser and Transmission Electron Microscopy (TEM) were also used in the study of reduced and used catalytic samples. Modifying Ni/Al2O3 catalysts with boron results in a great decrease of the deposited coke (up to 86%), without any significantly influence on the activity and selectivity of the catalysts. A major factor influencing the catalyst is the B loading, with the ratio Β/(B+Νi)=0,5 giving the best results. Boron’s positive effect was mainly attributed to its ability to increase Ni dispersion. Modification of Ni/Al2O3 catalysts, by using the appropriate boron loading, resulted to an increase of the amount of nickel nanoparticles with an average dimension under 6.0 nm, which are known to minimize coke deposition.