Size Effect of a Ni Nanocatalyst on Supercritical Water Gasification of Lignin by Reactive Molecular Dynamics Simulations

催化作用 超临界流体 化学 木质素 吸附 分子动力学 分子 化学工程 键裂 纳米颗粒 分解 有机化学 计算化学 工程类
作者
You Han,Fang Chen,Tengzhou Ma,Hao Gong,Khaled W.A. Al-Shwafy,Wei Li,Jinli Zhang,Minhua Zhang
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:58 (51): 23014-23024 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.9b05606
摘要

Supercritical water gasification (SCWG) is considered as an excellent technique with great potential for lignin utilization, and the addition of a Ni catalyst is effective to achieve high gasification yields. To understand the size effect of Ni nanoparticles during the SCWG process, our simulations were performed by reactive molecular dynamics methods, and the detailed pathways of lignin decomposition and hydrogen production were obtained. The cleavage of the β-O-4′ linkages consists of three main pathways, and the size of Ni catalysts influences the cleavage pathways. During the ring-opening process, the Ni catalyst could accelerate the cleavage of C–O bonds and destroy the conjugated π bond of the aromatic ring. Moreover, the generation of H2 molecules occurs entirely on the Ni catalyst. The H radicals gradually approach each other via the transformation of adsorption sites, and the diffusion is the rate-limiting step for the H2 production, especially at the initial reaction stage. The results indicate that a smaller catalyst cluster possesses higher activity, and there are more active sites at the Ni surface to weaken C–C, C–O, C–H, and O–H bonds. Through the cyclic use, the stability of the 2.0 nm catalyst cluster is better than that of 3.0 and 4.0 nm clusters due to the lower surface oxidation degree.
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