Catalizzatori supportati su carbonio per la produzione di combustibili sintetici

Abstract

L’aumento della concentrazione atmosferica di CO₂, dovuto principalmente all’impiego di combustibili fossili, è tra le principali cause dell’intensificazione dell’effetto serra e del riscaldamento globale. Oltre a ridurre le emissioni, è quindi strategico sviluppare tecnologie che utilizzino la CO₂ come materia prima. Tra queste, l’idrogenazione catalitica di CO₂ a metano (reazione di Sabatier) è un processo Power-to-X che, impiegando idrogeno verde, permette di valorizzare la CO₂ catturata e di immagazzinare l’energia rinnovabile in eccesso sotto forma di combustibile sintetico. Sebbene la reazione sia termodinamicamente favorita, l’elevata stabilità della molecola di CO₂ comporta forti limitazioni cinetiche, che rendono indispensabile l’impiego di un catalizzatore efficace e selettivo verso il metano.

In questo lavoro sono stati studiati catalizzatori a base di nichel (2% in peso) supportati su nanopiastrine di grafene (GNP), preparati per Incipient Wetness Impregnation, con e senza l’aggiunta di lantanidi, quali lantanio o cerio, come promotori (rapporto molare Ni:Ln = 5:1). Sono stati inoltre confrontati due protocolli di pre-riduzione, che differiscono per l’atmosfera impiegata durante la fase di riscaldamento. I test catalitici effettuati hanno mostrato che entrambi i promotori aumentano la conversione di CO₂ e la selettività a metano. Il Ni5Ce/GNP ha raggiunto la resa a metano più elevata (47% a 723 K) e ha mantenuto prestazioni stabili in un test di lunga durata con ripetuti arresti e riavvii del reattore, risultando un candidato promettente per impianti alimentati da energia rinnovabile intermittente.

The increase in atmospheric CO₂ concentration, mainly due to the use of fossil fuels, is one of the main causes of the enhanced greenhouse effect and global warming. Alongside reducing emissions, it is therefore of strategic importance to develop technologies that use CO₂ as a raw material. Among these, the catalytic hydrogenation of CO₂ to methane (Sabatier reaction) is a Power-to-X process that, by using green hydrogen, makes it possible to valorise captured CO₂ and to store surplus renewable energy in the form of a synthetic fuel. Although the reaction is thermodynamically favoured, the high stability of the CO₂ molecule leads to strong kinetic limitations, making an efficient and methane-selective catalyst indispensable.

In this work, nickel-based catalysts (2 wt%) supported on graphene nanoplatelets (GNP) were studied. They were prepared by Incipient Wetness Impregnation, with and without the addition of lanthanides, namely lanthanum or cerium, as promoters (Ni:Ln molar ratio = 5:1). Two pre-reduction protocols, differing in the atmosphere used during the heating step, were also compared. The catalytic tests showed that both promoters increase CO₂ conversion and methane selectivity. Ni5Ce/GNP achieved the highest methane yield (47% at 723 K) and maintained stable performance in a long-term test with repeated reactor shutdowns and restarts, making it a promising candidate for plants powered by intermittent renewable energy.