Influence of preparation mode for supported NiFe/CeO₂ bimetallic catalysts for dry reforming in a fixed bed reactor

L'aumento dei gas serra, in particolare CO₂ e CH₄, è una sfida significativa per la sostenibilità ambientale. La reazione di dry reforming del metano (DRM) converte CH₄ e CO₂ in syngas, utilizzabile nella produzione di combustibili e in altri processi chimici. Questo studio analizza le prestazioni catalitiche di catalizzatori a base di Ni supportati su CeO₂, evidenziando l’effetto dell’aggiunta di Fe e confrontando due metodi di sintesi: impregnazione incipiente (IWI) e macinazione a sfere (BM). Tutti gli esperimenti sono stati condotti in un reattore a letto fisso, alimentato con una miscela di gas (CH₄, CO₂ e N₂) a un flusso totale di 125 mL/min, operando a pressione atmosferica. I test di attività e selettività sono stati eseguiti variando la temperatura tra 550°C e 950°C, con incrementi di 50°C e un tempo di reazione di un’ora a ciascun intervallo. I test di stabilità sono stati eseguiti a 700°C per 24 ore. I risultati dei test di attività e selettività mostrano che il catalizzatore bimetallico contenente l'8% in peso di Ni e il 2% di Fe presenta un'attività catalitica e una selettività significativamente superiori rispetto agli altri due catalizzatori che differiscono in termini di composizione, indipendentemente dal metodo di sintesi utilizzato per la preparazione. In particolare, a 750°C, questo catalizzatore preparato tramite BM ha raggiunto una conversione media del CH₄ pari all'80%, mentre i catalizzatori monometallici e quelli con una minore quantità di Fe hanno ottenuto rispettivamente il 45% e il 50%. L'impatto dei metodi di sintesi è stato ulteriormente analizzato confrontando i catalizzatori preparati con BM e IWI. Sebbene il catalizzatore preparato con BM abbia mostrato valori medi leggermente più alti sia nella conversione dei reagenti sia nel rapporto H₂/CO, i margini di errore hanno rivelato una performance paragonabile tra i due metodi. La stabilità del catalizzatore è stata valutata sui due catalizzatori bimetallici con 2% in peso di Fe, sintetizzati con metodo BM e IWI. Entrambi i catalizzatori hanno mostrato una forte disattivazione, con una conversione iniziale del CH₄ superiore all'80%, che è scesa a meno del 15% dopo 24 ore. Tuttavia, il catalizzatore BM ha presentato un andamento di disattivazione più lineare e meno accentuato. Le caratterizzazioni mediante XPS, SEM e spettroscopia Raman hanno rivelato differenze strutturali tra i catalizzatori Ni-Fe sintetizzati con il metodo BM e IWI. I catalizzatori BM presentano una superficie specifica maggiore e una concentrazione superficiale di Ni più elevata. Queste caratteristiche migliorano l’accesso ai siti attivi e aumentano l’attività catalitica rispetto ai catalizzatori IWI. Sebbene entrambi i tipi di catalizzatori mostrino tendenze alla disattivazione, le proprietà strutturali dei catalizzatori BM ne migliorano la stabilità operativa, rendendoli meno suscettibili alla disattivazione e più efficaci nel ridurre la formazione di coke. In conclusione, i catalizzatori bimetallici Ni-Fe, specialmente quelli sintetizzati tramite BM, dimostrano un elevato potenziale come alternativa ai catalizzatori Ni monometallici e ai costosi bimetallici con metalli del gruppo del platino. La sinergia tra Ni e Fe offre una soluzione catalitica economicamente vantaggiosa e sostenibile per il DRM, evidenziando come la sintesi BM migliori sia l’efficienza sia la stabilità operativa.