Sintesi e caratterizzazione di catalizzatori a base di Cu-ZSM-5 per lo studio dei fenomeni oscillatori nella reazione di decomposizione di N2O = Synthesis and characterization of Cu-ZSM-5 catalysts for the study of oscillatory behaviour in the N2O decomposition reaction

In questo lavoro di tesi sono state studiate le caratteristiche chimico-fisiche e i comportamenti catalitici di abbattimento della molecola di N2O di cinque catalizzatori Cu-zeolite, sintetizzati mediante diverse metodologie, impregnazione e scambio ionico, singolo e doppio. Per la sintesi di questi catalizzatori è stata utilizzata una zeolite commerciale (ZSM-5) e soluzioni a diversa concentrazione di acetato di rame monoidrato, usato come precursore sia durante l’impregnazione che lo scambio ionico. È stato mantenuto costante il rapporto Si/Al (25) della zeolite di partenza (H-ZSM-5), al fine di garantire uniformità nelle condizioni di partenza dei catalizzatori studiati. I campioni sono stati sottoposti ad una dettagliata caratterizzazione al fine di indagare i possibili effetti derivanti dal metodo di sintesi impiegato, dalla percentuale in peso del rame e dallo stato di ossidazione del Cu, sul comportamento oscillatorio manifestato da alcuni di questi materiali. Dai test catalitici, condotti a tre differenti temperature (400 °C, 375 °C e 350 °C), a seguito di invio di una miscela di 1000 ppm di N2O in He, si è osservato un marcato comportamento oscillatorio, con associata conversione, solo nei campioni impregnati e in quello ottenuto mediante doppio scambio ionico. Al contrario, i campioni sottoposti a singolo scambio non hanno dato luogo ad oscillazioni significative, registrando conversioni inferiori al 10%. Dai test a più alta temperatura si è osservata una frequenza di oscillazione più elevata ed una conversione più accentuata. Mediante TPR è stata analizzata la riducibilità dei campioni, associando ai picchi le specie ridotte in determinati range di temperatura. Con ICP è stata calcolata la %wtCu nei campioni, maggiore negli impregnati che negli scambiati, mentre dalla BET sono state ricavate informazioni utili alla comprensione dell’attività stessa dei materiali, come l’area superficiale, la dimensione e il volume dei pori. Dall’analisi elementare EDX condotta sia attraverso microscopia a scansione (FESEM), sia attraverso microscopia in trasmissione (TEM), è emerso che i campioni in grado di convertire l’inquinante mostrano dei cluster di Cu, ai quali potrebbe essere associato il comportamento singolare precedentemente descritto. Come già evidenziato in studi precedenti, lo stato di ossidazione del Cu potrebbe essere influenzato dall’interazione con l’N2O. Quest’ultimo, in accordo con le osservazioni sperimentali, agirebbe sia come agente riducente che ossidante per i siti catalitici, influenzando direttamente la percentuale di conversione. Ulteriori dettagli emergono dall’analisi FT-IR in situ, la quale evidenzia la formazione intermedia di nitrati in presenza di N2O, osservabili solo nei materiali dei quali è stata registrata una certa attività catalitica. Al contrario, i due campioni ottenuti tramite scambio ionico singolo, non hanno indotto oscillazioni e, indipendentemente dall’impiego di un quantitativo doppio di precursore l’uno rispetto all’altro durante la sintesi, hanno registrato una percentuale in peso di Cu comparabile.