Oscillating behaviour of N2O decomposition over copper-ZSM5 zeolites

Il protossido di azoto (N2O) è il terzo gas a effetto serra più importante dopo l’anidride carbonica e il metano. A causa delle intense attività industriali (principalmente le produzioni di acido adipico e nitrico), le concentrazioni di N2O sono state caratterizzate da ritmi di crescita allarmanti che lo hanno reso il più importante contributore alla distruzione dello strato di ozono nell’atmosfera. Una delle tecniche di abbattimento più interessanti per eliminare questo gas è la decomposizione di N2O, che restituisce come prodotti l’ossigeno molecolare e l’azoto. In particolare, la zeolite ZSM-5 scambiata con il rame (Cu-ZSM-5) è molto attiva nella decomposizione grazie alle proprietà redox del metallo. Nonostante la grande quantità di studi condotti sull’argomento, alcuni problemi di vitale importanza per comprendere il sistema catalitico Cu-ZSM-5 sono ancora discussi in letteratura, tra cui la chimica redox del rame e lo stato di ossidazione del rame nella zeolite. Inoltre, è stato dimostrato che utilizzando Cu-ZSM-5 come catalizzatore è possibile osservare in certe condizioni un fenomeno oscillatorio nella curva di decomposizione. Le caratteristiche di tali oscillazioni possono essere influenzate da vari parametri, tra cui il tipo di pretrattamento, la temperatura e la quantità di rame. Per tale motivo, in questo lavoro di tesi sono stati sintetizzate diverse zeoliti Cu-ZSM-5 variando parametri come il rapporto Si/Al, la quantità di rame e il metodo di sintesi delle zeoliti, in modo tale da studiare il loro effetto sull’attività catalitica e sul fenomeno oscillatorio. I campioni sintetizzati provengono da tre zeoliti ZSM-5 aventi diversi rapporti Si/Al (uguali a 12, 25 e 40), nelle quali sono state introdotte diverse quantità di rame tramite le tecniche di sintesi dello scambio ionico o dell’impregnazione. I test catalitici sono stati effettuati a tre temperature diverse (400, 375 e 350°C). Sono state inoltre implementate diverse tecniche di caratterizzazione, tra cui la TPR, l’EDX, l’XRD e lo FTIR, al fine di valutare le proprietà chimico-fisiche dei diversi campioni sintetizzati. Dai risultati dei test catalitici emerge che i campioni impregnati presentano una buona attività catalitica, superiore rispetto ai campioni scambiati e sono gli unici ad essere caratterizzati dalla presenza di fenomeni oscillatori a 400 e a 375°C. Il fatto che nessuna delle zeoliti scambiate oscilli e presenti buona attività catalitica può essere dovuto alla quantità di rame realmente presente in questi campioni. Infatti, EDX ha rivelato come questi campioni siano caratterizzati da una quantità di rame minore rispetto agli impregnati. Inoltre, l’analisi TPR ha rilevato che gli impregnati sono caratterizzati dalla presenza di cluster di CuO che si riducono a 250-270°C, che sono assenti nei campioni scambiati. Anche il rapporto Si/Al influenza la possibilità o meno di avere un fenomeno oscillatorio. Infatti, questo fenomeno non viene osservato per nessuna delle zeoliti impregnate con rapporto Si/Al più basso. Al contrario, le zeoliti caratterizzate sia da buone prestazioni catalitiche sia dalla presenza di oscillazioni sono quelle impregnate con rapporto Si/Al intermedio. Si è dimostrato che l’impregnazione permette la deposizione di CuO, mentre un rapporto Si/Al ottimale favorisce l’introduzione di varie specie di rame nella zeolite. Infatti, si è scoperto che la sinergia e la coesistenza di queste specie potrebbero essere degli importanti parametri, che favoriscono l’insorgere del fenomeno oscillatorio.