Riduzione catalitica della CO2 per produzione di olefine leggere: analisi spettroscopica con infra-rossi per la determinazione del meccanismo di reazione = Catalytic reduction of CO2 for the production of light olefins: infrared spectroscopic analysis for the determination of the reaction mechanism

Negli ultimi anni, il fenomeno del riscaldamento globale, derivante dall’aumento delle emissioni di gas a effetto serra, sta diventando una grave minaccia per il pianeta Terra. In particolare, la CO2 è uno dei principali gas serra la cui presenza nell’ambiente è associata principalmente alla combustione dei combustibili fossili. Al fine di decarbonizzare l’atmosfera, gli studi si stanno concentrando sullo sviluppo di nuove tecnologie che permettano la cattura e il riutilizzo della CO2 per la produzione di sostanze a valore aggiunto. In questa tesi è stata analizzata la reazione di idrogenazione dell’anidride carbonica con lo scopo di produrre metanolo attraverso l’impiego di due classi di catalizzatori: catalizzatori In2O3-ZrO2 e catalizzatori CuO-CeO2. I primi stanno riscontrando un cospicuo interesse per l’eccellente selettività a metanolo grazie alla presenza di vacanze di ossigeno sulla superficie, le quali permettono l’adsorbimento e l’attivazione della CO2. I secondi, invece, devono la loro attività al Cu metallico sulla superficie, il quale viene ridotto a partire dall’ossido di rame e che rappresenta il sito attivo del campione. Lo studio dell’attività catalitica dei catalizzatori è stato condotto attraverso due fasi: una fase di pretrattamento termico e una fase di analisi tramite spettroscopia ad infrarossi a trasformata di Fourier (FT-IR). La prima fase per entrambi gli studi ha riguardato un trattamento in temperatura in un range tra i 350 e i 500 °C. Questo pretrattamento ha portato al desorbimento delle specie legate ai siti attivi e, per i catalizzatori CuO-CeO2, è stato condotto in atmosfera ricca di idrogeno per permettere la riduzione dell’ossido di rame in rame metallico. La seconda fase è stata effettuata usando due diverse modalità: una modalità “in statico” e una “in operando” con l’obiettivo di studiare i fenomeni che si verificano sulla superficie dei campioni durante la reazione. L’analisi “in statico” è stata effettuata utilizzando una cella dotata di finestre di KBr con l’invio a temperatura ambiente di CO2, CO, H2O e CH3OH fino a pressioni di 20 mbar. Gli invii di queste molecole, in combinazione con una successiva fase di espansione dell’ambiente della cella, sono stati impiegati per determinare e quantificare l’entità dell’interazione di quest’ultime con i siti attivi. L’analisi “in operando” è stata condotta ricreando le condizioni di processo della reazione di idrogenazione attraverso l’invio di una miscela H2+CO2 (rapporto 4:1) a 5 bar. È stata suddivisa in due stadi distinti: fase di riduzione e fase di attivazione. Per individuare e quantificare le specie in uscita è stato collegato uno spettrometro di massa in coda alla cella. Dall’analisi “in statico” è stato possibile osservare come l’interazione tra i gas inviati e i siti attivi dei catalizzatori sia caratterizzata da legami molto deboli. Invece, le analisi condotte con lo spettrometro di massa nello studio “in operando” hanno permesso di rilevare un leggero incremento della concentrazione di metanolo nel flusso di gas in uscita dalla cella utilizzando temperature superiori ai 250 °C. Con temperature superiori ai 300 °C, si è potuto osservare negli spettri infrarossi la produzione di CO e metano con la comparsa dei picchi caratteristici a seguito delle reazioni parassite.