Materiali bifunzionali per cattura e conversione catalitica della CO2 a metano = Dual Funtional Materials for CO2 capture and catalytic conversion to methane

Il raggiungimento di una società “carbon neutral” entro il 2050, anno in cui si stima che i cambiamenti ambientali dovuti al cambiamento climatico possano diventare irreversibili, è la sfida più urgente che l'umanità deve affrontare. Per mitigare le emissioni di CO2, le tecnologie di cattura, utilizzo e stoccaggio (CCUS) vengono considerate molto promettenti e attirano l’attenzione di scienziati e ricercatori data la semplicità di approccio che coinvolge le fasi di cattura, trasporto e stoccaggio o conversione della CO2. Negli ultimi decenni sono state sviluppate molte tecnologie per la cattura post-combustione dell'anidride carbonica, assieme a sistemi di conversione in prodotti ad alto valore aggiunto. Pertanto, la ricerca si sta concentrando sulla scelta di un materiale adsorbente con le caratteristiche adatte affinché il processo di cattura sia efficace e, allo stesso tempo, reversibile per favorire la conversione catalitica del gas adsorbito. In questo frangente, i materiali bifunzionali portano ad un bilancio energetico favorevole per i sistemi di cattura della CO2, eliminando le fasi di desorbimento e di trasporto della CO2 (ad alta richiesta energetica), necessarie per le tradizionali unità di cattura della CO2. Ciò è possibile idrogenando direttamente la CO2 catturata nello stesso reattore, alla stessa temperatura e pressione, in modo che il prodotto finale ottenuto risulti un gas naturale sintetico impiegabile direttamente sul posto come combustibile, oppure trasportabile attraverso sistemi gasdotti già esistenti. I materiali bifunzionali sono costituiti da un catalizzatore e da un componente adsorbente, che svolgono entrambi un ruolo critico nel determinare la capacità di metanazione del materiale finale. In questo scenario, l'ossido di cerio ha mostrato notevoli proprietà per un'efficiente cattura reversibile della CO2, grazie alle note proprietà acido-base. Il rutenio è il metallo di transizione attivo selezionato in questo lavoro in quanto presenta un'energia di chemisorbimento ottimale e una grande capacità di attivare la CO2 durante le reazioni di metanazione, rispetto a tutti gli altri metalli dei gruppi 8-10. Come punto di partenza, sono state analizzate le proprietà adsorbenti dell'ossido di cerio supportato su due diversi materiali ad alta area superficiale, l'ossido di alluminio e la zeolite ZSM-5. Tre diverse percentuali nominali di ceria (10%, 20% e 30%) sono state preparate attraverso un metodo di impregnazione. I materiali sono stati caratterizzati attraverso le principali tecniche di caratterizzazione chimico-fisica, quali PXRD, fisisorbimento di N2 a -196 °C, TPD, TPR e XPS. Le loro capacità di adsorbimento sono state testate in laboratorio in un impianto di adsorbimento di gas a diverse temperature (150, 200 e 250 °C). I migliori risultati sono stati ottenuti dai campioni 30% CeO2/ZSM-5 e 30% CeO2/Al2O3. Successivamente, questi due campioni sono stati impregnati ulteriormente con una soluzione acquosa di precursore di Rutenio. I test di metanazione svolti consistono in diversi passaggi che prevedono una fase iniziale di riduzione (5 % H2/N2), l'adsorbimento di CO2 (8 % CO2/N2) e, infine, la fase di idrogenazione (5 % H2/N2). Nell’ultima fase quindi, è stata valutata la miglior procedura operativa per lo svolgimento del test di metanazione, e di conseguenza il miglior catalizzatore bifunzionale.