Produzione di H2 turchese su catalizzatori contenenti nichel: effetto dei promotori e possibile riutilizzo

Abstract

Negli ultimi anni la comunità scientifica ha focalizzato la propria attenzione nella ricerca di nuovi materiali o processi da poter impiegare nella transizione energetica. L’obiettivo è ridurre l’uso ancora predominante di combustibili fossili, a favore di fonti di energia rinnovabili e più sostenibili, in modo tale da diversificare il mix energetico e, contestualmente, ridurre le emissioni di gas serra. L’idrogeno rappresenta un elemento fondamentale in tale contesto, in quanto la sua reazione di combustione non genera CO2. Tuttavia, il costo o l’impatto ambientale dei processi più consolidati per la sua produzione sono aspetti ancora critici. L'idrogeno turchese, ottenuto attraverso pirolisi del metano, rappresenta una soluzione interessante, in quanto durante questo processo il metano (CH₄) decompone in idrogeno (H₂) e carbonio elementare, senza produrre CO₂ come sottoprodotto, a differenza della produzione tradizionale da steam reforming del gas naturale. La pirolisi avviene generalmente ad alte temperature, ma questo parametro può essere abbassato lavorando in presenza di catalizzatori. Il carbonio solido, una volta separato, può essere utilizzato in varie applicazioni industriali, riducendo ulteriormente l'impatto ambientale e rappresentando un ulteriore valore aggiunto di tale processo. L'idrogeno turchese risulta essere una promettente via intermedia tra l'idrogeno "blu", che impiega la cattura e lo stoccaggio della CO₂, e l'idrogeno "verde", che viene prodotto tramite elettrolisi dell'acqua alimentata da fonti di energia rinnovabili. Tale processo, tuttavia, presenta alcune sfide tecniche, come la rapida disattivazione del catalizzatore e la sua rigenerazione nonché la separazione del carbonio dal catalizzatore. In questo lavoro di tesi sono stati testati alcuni campioni base nichel per tale reazione, concentrando l’attenzione sull’effetto dei promotori, del metodo di preparazione e del ciclo reazione-rigenerazione.

In recent years, the scientific community has focused its attention on the search for new materials or processes that can be used in the energy transition. The goal is to reduce the still predominant use of fossil fuels, in favour of renewable and more sustainable energy sources, to diversify the energy mix and, at the same time, reduce greenhouse gas emissions. Hydrogen is a key element in this context, as its combustion reaction does not generate carbon dioxide. However, the cost or environmental impact of the most established processes for its production are still critical aspects. Turquoise hydrogen, obtained through methane pyrolysis, represents an interesting solution, as during this process methane (CH₄) decomposes into hydrogen (H₂) and solid carbon, without producing CO₂ as a by-product, unlike the traditional natural gas steam reforming. Pyrolysis takes place at high temperatures, but this parameter can be lowered by working in the presence of catalysts. Solid carbon, once separated, can be used in various industrial applications, further reducing the environmental impact and representing an additional added value of this process. Turquoise hydrogen is a promising intermediate route between 'blue' hydrogen, which uses CO₂ capture and storage, and 'green' hydrogen, which is produced by electrolysis of water powered by renewable energy sources. However, this process presents some technical challenges, such as the rapid deactivation of the catalyst and its regeneration. In this thesis, several nickel-based samples for this reaction were tested, focusing on the effects on the performance of the promoters, the preparation method, and the reaction-regeneration cycle. A possible use of the “deactivated” catalyst in the hydrogenation process, i.e. the methanation, was also preliminarily investigated.