Studio di catalizzatori a base di magnetite per la conversione di CO2

Abstract

La riduzione delle emissioni di CO2, incluso il suo utilizzo come materia prima, rappresenta una delle principali sfide per la transizione energetica. In questo scenario, le tecnologie di Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS) mirano a catturare la CO2 per stoccarla o riconvertirla in prodotti a valore aggiunto. Un’opzione ancora poco sfruttata è il processo di Reverse Water-Gas Shift (rWGS), una reazione di idrogenazione catalitica che consente di convertire CO2 in CO, composto di interesse per la sintesi di e-fuels e e-chemicals, quando si utilizza idrogeno verde prodotto da rinnovabili. La scelta di catalizzatori magnetici introduce, oltre ai parametri di attività, la possibilità di sviluppare reattori a induzione magnetica che rappresentano una delle scelte relative all’elettrificazione dei processi, particolarmente di interesse per reazioni endotermiche. In particolare, questo lavoro di tesi confronta due catalizzatori: un campione di magnetite pura (Fe3O4) e uno contenente il 5% in massa di ossidi di rutenio (5wt%RuOx/Fe3O4). L’attività catalitica è stata valutata in due cicli di reazione consecutivi. I catalizzatori sono stati testati in una linea catalitica di laboratorio, che ha consentito l’analisi dei prodotti di reazione mediante spettroscopia infrarossa (FT-IR), valutando i profili di conversione della CO2 e di resa in CO e CH4 in funzione della temperatura. I risultati mostrano che sui campioni ridotti, la promozione con rutenio non migliora le prestazioni catalitiche: il suo unico effetto positivo è l'abbassamento della temperatura di light-off del primo ciclo. Entrambi i campioni presentano un'attivazione progressiva, attribuibile alla formazione in situ della fase attiva, mentre oltre gli 873 K si osserva una disattivazione, più marcata per il campione promosso. La magnetite pura si conferma quindi un catalizzatore promettente per la rWGS, con il vantaggio di avere un costo inferiore rispetto al catalizzatore promosso con rutenio.

The reduction of CO2 emissions, including its utilization as a feedstock, represents one of the major challenges for the energy transition. In this scenario, Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS) technologies aim to capture CO2 in order to store it or convert it into value-added products. An option that remains underexploited is the Reverse Water-Gas Shift (rWGS) process, a catalytic hydrogenation reaction that allows the conversion of CO2 into CO—a compound of interest for the synthesis of e-fuels and e-chemicals—when using green hydrogen produced from renewable sources. Beyond standard activity parameters, the choice of magnetic catalysts introduces the possibility of developing magnetic induction reactors, representing a viable approach to process electrification that is particularly relevant for endothermic reactions.

Specifically, this thesis compares two catalysts: a pure magnetite (Fe3O4) sample and one containing 5 wt% ruthenium oxides (5wt%RuOx/Fe3O4). The catalytic activity was evaluated over two consecutive reaction cycles. The catalysts were tested in a laboratory-scale catalytic line, which enabled the analysis of the reaction products via infrared spectroscopy (FT-IR), evaluating the CO2 conversion profiles and the CO and CH4 yields as a function of temperature.

The results show that on the reduced samples, ruthenium promotion does not enhance catalytic performance: its only positive effect is the lowering of the light-off temperature during the first cycle. Both samples exhibit progressive activation, attributable to the in situ formation of the active phase, whereas deactivation is observed above 873 K, which is more pronounced in the promoted sample. Pure magnetite is therefore confirmed to be a promising catalyst for the rWGS reaction, offering the advantage of a lower cost compared to the ruthenium-promoted catalyst.