Pirolisi Termocatalitica del Metano per la produzione di idrogeno turchese: studi cinetici su catalizzatori Fe/Al2O3 = Thermocatalytic Pyrolysis of Methane for turquoise hydrogen production: kinetic studies on Fe/Al2O3 catalysts

I combustibili fossili rappresentano attualmente la principale fonte energetica impiegata dall’uomo. Essi costituisco però una fonte esauribile, il cui vasto utilizzo è associato all’emissione di ingenti quantità di CO2 in atmosfera, con conseguenze disastrose per il pianeta, quali il cambiamento climatico e il surriscaldamento globale. Le fonti rinnovabili al momento non possono essere considerate una valida alternativa per compiere la cosiddetta “decarbonizzazione” per via della loro natura fluttuante e l’impossibilità di garantire una produzione energetica programmabile. Un approccio promettente nell’ottica di una transizione ecologica consiste nell’utilizzo di idrogeno in una vasta gamma di settori. Esso costituisce infatti un vettore energetico in grado di garantire da un lato un basso impatto ambientale e dall’altro la flessibilità del sistema energetico. Esistono diverse tecnologie impiegate per la produzione di idrogeno, che differiscono in base alle materie prime utilizzate, al livello di industrializzazione, alla quantità di emissioni e al costo. L’idrogeno cosiddetto “grigio” rappresenta allo stato attuale la tipologia di idrogeno predominante, ed è prodotto mediante il processo di steam reforming del metano (SMR), il quale comporta il rilascio in atmosfera di grandi quantità di CO2. La prospettiva futura prevede la produzione di idrogeno “verde”, ossia ottenuto mediante elettrolisi dell’acqua alimentata da energia elettrica rinnovabile. Tuttavia, si stima che per i prossimi decenni l’H2 verde rimarrà inaccessibile per via degli elevati costi ad esso associati. In questo scenario si inserisce come potenziale tecnologia di transizione realizzabile a breve termine la Decomposizione Termica del Metano (TDM). Tale processo prevede la scissione del metano ad alte temperature, con la conseguente produzione di H2 gassoso (detto “turchese”) e carbonio elementare (C) e non comporta alcuna emissione in termini di CO2. Il presente elaborato si occupa di studiare la pirolisi termocatalitica del metano condotta su catalizzatori Fe/Al2O3 in un reattore a letto fisso. In particolare, sono stati sintetizzati due catalizzatori a base di ossido di ferro (60% wt.) supportato su allumina (40% wt.) tramite 2 diverse metodologie: Wet Impregnation (WI) e Solution Combustion Synthesis (SCS), da cui si sono ottenuti, rispettivamente, i campioni Fe60Al40-WI e Fe60Al40-SCS. Al fine di investigarne le proprietà chimiche, strutturali e morfologiche, i due campioni sono stati analizzati mediante diverse caratterizzazioni chimico-fisiche: fisisorbimento con azoto (metodo BET), diffrazione a raggi X (XRD), spettroscopia Raman, riduzione a temperatura programmata (TPR) e microscopio elettronico a scansione (FESEM). Su entrambi i catalizzatori sono stati effettuati test cinetici con lo scopo di valutarne le prestazioni e individuare i parametri cinetici della reazione. Dai risultati sperimentali si evince che il campione Fe60Al40-SCS sia caratterizzato da un’attività catalitica più elevata rispetto al campione Fe60Al40-WI e che entrambi presentino un’attività stabile nel tempo. Dalle analisi morfologiche effettuate mediante il FESEM sui catalizzatori esausti si è notata in entrambi i casi la formazione di nanotubi di carbonio, che costituiscono un sottoprodotto ad alto valore aggiunto. Sono necessari ulteriori studi per individuare un sistema che consenta di separare il prodotto carbonioso dal catalizzatore al fine di rigenerare quest’ultimo e renderne possibile il riutilizzo.