Sviluppo innovativo di catalizzatori strutturati per l’idrogenazione diretta della CO2 a metanolo mediante stampa 3D = Innovative preparation of structured catalysts for the direct hydrogenation of CO2 to methanol using 3D printing

Questo lavoro di Tesi per il conseguimento della Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica e dei Processi Sostenibili è stato svolto presso il CNR-ITAE “Nicola Giordano” di Messina, con la finalità di studiare sistemi catalitici e metodi sperimentali adeguati per produrre biocombustibili, utilizzando come materia prima l’anidride carbonica. Utilizzando un innovativo sistema catalitico multimetallico a base di Cu-Zn-Zr preparato mediante stampa 3D, è stata studiata la reazione di idrogenazione catalitica dell’anidride carbonica (CO2) a metanolo (MeOH). L’obiettivo principale della ricerca è stato, dunque, quello di valutare la performance catalitica del sistema 3D in confronto ad un sistema precedentemente ottimizzato preparato mediante coprecipitazione. I catalizzatori sono stati caratterizzati mediante diverse tecniche chimico-fisiche, quali: l’analisi porosimetrica e lo studio delle isoterme di adsorbimento e desorbimento di azoto liquido alla temperatura di -196 °C (BET), la diffrattometria a raggi X (XRD), la microscopia a trasmissione elettronica (TEM) e le misure di riducibilità con idrogeno (H2-TPR). Dalle tecniche di caratterizzazione, è stato osservato che i due sistemi catalitici presentavano struttura, morfologia e proprietà redox simili, ma diversa area superficiale specifica. Riguardo alle misure di attività sperimentali, la resa a metanolo raggiunta con il catalizzatore coprecipitato è stata pari all’8% contro un valore del 9% ottenuta con il catalizzatore 3D. In termini assoluti, nelle condizioni sperimentali adottate, tale valore si attesta tra i migliori fra quelli riportati nello stato dell’arte, corrispondendo ad una produttività oraria massima a metanolo pari a 269 gCH3OH/kgcat/h a 220 °C. I test di durata hanno permesso di evidenziare una sostanziale stabilità nel tempo dell’attività del sistema 3D, con valori di conversione di CO2 costanti (20%) per oltre 20 ore di prove sperimentali continuative che hanno dimostrato così ottime proprietà strutturali e catalitiche nelle condizioni operative adottate. Nel complesso, i risultati di questa Tesi, la cui attività sperimentale è stata penalizzata dall’emergenza sanitaria globale che ha fortemente limitato l’accesso ai laboratori di ricerca per molti mesi, hanno evidenziato che la stampa 3D può rappresentare uno strumento efficace per lo sviluppo di materiali innovativi con proprietà catalitiche per reazioni di interesse industriale.