Ossidazione del metano su catalizzatori al palladio: il ruolo della ceria-praseodimia come supporto = Methane oxidation over palladium-containing catalysts: the role of ceria-praseodymia as support

L’ossidazione catalitica del metano è una tecnologia utile per usufruire di questo combustibile limitando l’impatto ambientale, consentendo di evitare il rilascio atmosferico di questo gas serra e abbassare le temperature necessarie alla combustione di quella che è una molecola particolarmente stabile. Catalizzatori contenenti una piccola percentuale di palladio sono spesso ritenuti i migliori a tale scopo. Questo lavoro di Tesi è articolato in due fasi principali: un’approfondita ricerca bibliografica per delineare lo stato dell’arte sull’argomento ed uno studio sperimentale di catalizzatori al palladio supportati su ceria dopata con praseodimio. La parte prettamente teorica si realizza in vari Capitoli con gli obiettivi di definire il ruolo del metano e della sua combustione catalitica in un’ottica di sostenibilità ambientale, comprendere la necessità del palladio, le sue caratteristiche catalitiche ed i meccanismi che lo coinvolgono nell’ossidazione del metano, quindi studiare l’effetto negativo dell’acqua su questa reazione, ostacolo nelle applicazioni in sistemi reali. Inoltre, si presenteranno vari supporti come possibili candidati e verrà evidenziato il ruolo positivo della ceria. Si parlerà delle opportunità date da un design della ceria alla nanoscala, dei possibili meccanismi di reazione che coinvolgono la ceria ed il palladio, quindi si riporteranno le caratteristiche di sistemi ottenuti con varie sintesi, evidenziandone i vantaggi e le criticità. Infine, verrà osservato sperimentalmente l’effetto del doping della ceria con praseodimio nell’applicazione dell’ossidazione del metano in presenza di palladio, soluzione ancora non molto studiata in letteratura, ma dalle premesse attraenti per un catalizzatore efficace: l’aggiunta di praseodimio a catalizzatori a base ceria, infatti, crea difetti strutturali, ne migliora la riducibilità e ne facilità la ri-ossidazione, grazie all’elevata mobilità di ossigeno nel reticolo e all’ottima Oxygen Storage Capacity, con conseguenti prestazioni catalitiche interessanti. Lo studio prevede la preparazione e caratterizzazione (con fisisorbimento di azoto, XRD, FESEM e H2-TPR) di catalizzatori al palladio (2% wt) supportato su ceria o su ceria dopata con praseodimio (50% molare), secondo sintesi di tipo idrotermale, per ottenere nanostrutture, o Solution Combustion Synthesis (SCS). I test catalitici di ossidazione del metano mostrano che i campioni a base ceria sono più attivi per la reazione in quanto iniziano a convertire il metano a temperature generalmente inferiori rispetto ai campioni dopati con il 50% di praseodimio, ma presentano una perdita di attività ad alta temperatura, che potrebbe essere attribuita alla trasformazione reversibile della fase più attiva di ossido di palladio a palladio metallico. La sintesi idrotermale sposta la conversione a temperature più basse rispetto alla sintesi SCS in presenza di praseodimio, ma non per i campioni con supporto di ceria pura, per i quali tuttavia le nanostrutture limitano la perdita di attività osservata. Un opportuno completamento dello studio appare il confronto dei comportamenti catalitici al variare del contenuto di praseodimio.