Effect of ceria nanoshapes in ethanol steam reforming over RhPd/CeO2 catalysts

The main goal of this study is the evaluation of the activity of catalysts composed by rhodium-palladium alloy nanoparticles supported over nanoshaped cerium oxide during the ethanol steam reforming reaction for the production of pure hydrogen. Although the techniques regarding hydrogen as energy source still need to be improved, it is for sure an interesting alternative to fossil fuels since it has a high calorific power and it can be obtained starting from bioethanol. In this way, its production can be environmentally sustainable and it is possible to limit the dependence on fossil fuels, whose reserves are becoming less and less. Among all the processes, the ethanol steam reforming is very promising since it guarantees, theoretically, the highest amount of hydrogen. The present work was carried out within the research group of Prof. Jordi Llorca at the “Institute of Energy Technologies” belonging to the Universitat Politècnica de Catalunya placed in Barcelona. The possibility of supporting a thesis work abroad is due to the Erasmus Plus programme that I joined during the second semester of the academic year 2014-2015 thanks to an agreement between Politecnico di Milano and Universitat Politècnica de Catalunya. The whole work was divided in the following steps: • Bibliographic research in order to find in literature previous studies about the different catalysts used to perform the reaction of interest, the efficacy of RhPd/CeO2 catalysts and the differences between the three different ceria nanoshapes (nanocubes, nanorods and polycrystals) analysed in this work. • Preparation of the catalysts according to methods found in literature. This step is composed by the preparation of the three nanoshaped supports and the impregnation of preformed rhodium-palladium nanoparticles on them. • Characterization of catalysts in order to see the effective presence of the different nanoshapes. • Catalytic tests performed at atmospheric pressure in a reaction system placed inside a fume-hood. • Characterization post-reaction of the exhaust catalysts aimed to the evaluation of their behaviour during the catalytic tests.

L’obiettivo di questo studio è la valutazione dell’attività di catalizzatori, formati da supporti di ceria nano-strutturata impregnati con nanoparticelle di una lega rodio-palladio, nella reazione di Ethanol Steam Reforming (ESR) per la produzione di idrogeno puro. Nonostante le tecnologie atte all’utilizzo di H2 come fonte energetica debbano essere migliorate, questo processo rappresenta un’interessante alternativa ai combustibili fossili, le cui riserve stanno rapidamente diminuendo. Infatti, l’idrogeno ha un alto potere calorifico e può essere ottenuto a partire da bioetanolo attraverso un processo ecosostenibile in grado di fornire, teoricamente, un’elevata quantità di idrogeno. Il lavoro sperimentale si è svolto in diversi passaggi: dapprima una ricerca bibliografica, per trovare in letteratura studi riguardanti la reazione d’interesse, il comportamento dei catalizzatori utilizzati nel presente lavoro e le differenze fra le tre nano-strutture del supporto; in seguito, la preparazione e la caratterizzazione dei catalizzatori, con lo scopo di vedere l’effettiva presenza delle nano-strutture desiderate; infine svariati test catalitici, seguiti dalla caratterizzazione dei catalizzatori esausti, per valutarne il comportamento. Un risultato importante del lavoro svolto è la minore attività dei catalizzatori impiegati rispetto ai catalizzatori ottenuti per co-precipitazione di sali di Pd e Rh sul supporto, utilizzati in un altro studio. Ciò è dovuto ad una maggiore dimensione delle particelle metalliche, quindi a un minor numero di siti attivi. Questo fatto influisce anche sulla selettività verso H2, che è minore sotto i 900 K. Il trend di attività delle tre diverse nano-strutture di ceria si è dimostrato essere: policristalli > nanotubi > nanocubi mentre nel precedente lavoro era l’inverso. In questo caso la spiegazione è da attribuire alle dimensioni delle particelle del supporto in quanto i policristalli, essendo i più piccoli, erano caratterizzati da una maggiore area superficiale e quindi da una maggiore attività catalitica. Un ulteriore risultato è che cambiamenti morfologici dei nanocubi a causa dello stress termico sono avvenuti sopra i 550°C (823 K).