In this thesis, the transformation of biogas feedstocks into syngas using reforming-catalysts based on low-loaded Ni on MgO-Al2O3 mixed oxides is discussed. The produced syngas could be a source for key chemicals like methanol and ammonia, disclosing the potential of the dry reforming for a sustainable chemical industry. The work was motivated by the yet unsolved problems of converting real biogas into synthesis gas. Catalyst deactivation over time due to coking, and/or transformation of the active sites (e.g., via Ni sintering, poisoning and/or re-oxidation) during operation at high temperatures hindered the reforming of waste-derived feeds (e.g. biogas, landfill gas). Therefore, different catalyst formulations were designed aiming to tune specific physicochemical properties of the catalysts like the metal-support interaction (MSI), surface chemistry and electronic properties to enhance catalyst activity and prevent their deactivation. Despite the improvements made using commercial supports, catalyst deactivation was difficult to avoid in most cases. Therefore, an enhanced home-made MgO-Al2O3support was developed (WI.800), and the resulting low-loaded Ni (2.5 wt.%) catalysts displayed improved activity and superior coke suppression ability. Particularly, trimetallic NiLaGa/WI.800 displayed outstanding activity, selectivity, and stability compared to several state-of-the-art Ni-based catalysts for over 100 h on stream at 750 °C in CH4/CO2 = 2:1 (with only 10% dilution) and GHSV = 170 L/(gcat·h), which resulted in only ~ 3 wt.% carbon deposition. Finally, Bi- and Tri-Reforming of Methane (BRM and TRM) were investigated to tune the product H2/CO ratio in view of downstream applications, followed by handling biogas impurities like NH3 and H2S, to work under conditions closer to real case application. The main outcome of this work was the development of non-noble and low-Ni loading catalysts usable for upscaling of the reforming of waste-derived biogas, to contribute to a circular carbon economy.
In dieser Arbeit werden Möglichkeiten zur Umwandlung von Biogas zu Synthesegas mit Hilfe von Reforming-Katalysatoren basierend auf Ni auf MgO-Al2O3-Mischoxiden diskutiert. Das erzeugte Synthesegas könnte eine Quelle für Schlüsselchemikalien wie Methanol und Ammoniak sein, was das Potenzial der trockenen Reformierung für eine nachhaltige chemische Industrie demonstriert. Die Arbeit war durch die noch ungelösten Probleme bei der Umwandlung von realem Biogas in Synthesegas motiviert. Die Deaktivierung des Katalysators im Laufe der Zeit durch Verkokung und/oder die Umwandlung der aktiven Zentren (z. B. durch Ni-Sinterung, Vergiftung und/oder Reoxidation) während des Betriebs bei hohen Temperaturen behinderten die Reformierung von aus Abfällen gewonnenen Einsatzstoffen (z. B. Biogas, Deponiegas). Daher wurden verschiedene Katalysatorformulierungen entwickelt, die darauf abzielten, bestimmte physikalisch-chemische Eigenschaften der Katalysatoren wie die Metall-Träger-Wechselwirkung (MSI), die Oberflächenchemie und die elektronischen Eigenschaften zu optimieren, um die Katalysatoraktivität zu erhöhen und ihre Deaktivierung zu verhindern. Trotz der Verbesserungen, die durch die Verwendung kommerzieller Träger erzielt wurden, war die Deaktivierung des Katalysators in den meisten Fällen schwer zu vermeiden. Daher wurde ein verbesserter, selbst hergestellter MgO-Al₂O₃-Träger entwickelt (WI.800), so dass die resultierenden Ni-Katalysatoren (Ni = 2,5 Gew.-%) eine verbesserte Aktivität und eine insgesamt bessere Fähigkeit zur Unterdrückung der Koksbildung zeigten. Insbesondere das trimetallische NiLaGa/WI.800 zeigte im Vergleich zu verschiedenen modernen Ni-Katalysatoren über 100 Stunden bei 750 °C in CH4/CO2 = 2:1 (mit nur 10 % Verdünnung) und einer GHSV von 170 L/(gcat·h) eine sehr überragende Aktivität, Selektivität und Stabilität, was zu einer Kohlenstoffablagerung von nur ~ 3 Gew.-% führte. Schließlich wurden Möglichkeiten zum Bi- und Tri-Reformierung von Methan (BRM und TRM) untersucht, um das H₂/CO-Verhältnis des Produkts in Hinblick auf nachgelagerte Anwendungen besser einzustellen. Anschließend wurde noch die Behandlung von Biogasverunreinigungen wie NH₃ und H₂S untersucht, um unter Bedingungen zu arbeiten, die näher am realen Anwendungsfall liegen. Das Hauptergebnis dieser Arbeit war die Entwicklung von Katalysatoren mit niedriger Ni-Beladung, die sich für das Upscaling der Reformierung von aus Abfällen gewonnenem Biogas eignen, um einen Beitrag zu einer kreislauforientierten Kohlenstoffwirtschaft zu leisten.