Performance of Ru/Al2O3 catalysts during CO2 methanation in presence of contaminants

Carbon dioxide is the most abundant greenhouse gas and its utilization as carbon source is environmentally and industrially attractive. Among the proposed CO2 (re)utilization technologies, CO2 hydrogenation to methane via the Sabatier reaction is particularly appealing, because it produces an easily transportable fuel with a wide market and can be a route for the chemical storage of excess renewable electric energy. The highly exothermic CO2 methanation is limited by thermodynamics at the high temperatures required by conventional Ni-based catalysts. In these conditions, CO selectivity is also rather high. In this regard, Ru-based catalysts are of interest because are active at lower temperatures, allowing higher CO2 per-pass conversion with almost complete selectivity to CH4. In this context, this thesis work – carried out within the framework of a collaboration between ENEA and Politecnico di Milano – aims at the optimization of Ru-based catalysts at industrially relevant conditions. In particular, the possible effects of contaminants that may be present in the gaseous feed (i.e. oxygen and sulphur compounds) have been investigated over a homemade 5% wt/wt Ru/Al2O3 catalyst.

L’anidride carbonica è il più abbondante gas serra e il suo utilizzo come fonte di carbonio rappresenta una attrattiva sia dal punto di vista ambientale che economico. Tra le tecnologie proposte per il (ri)utilizzo della CO2, la sua idrogenazione a metano tramite la reazione di Sabatier è di particolare interesse, in quanto produce un combustibile facilmente trasportabile e con un vasto mercato. Inoltre, questo processo rappresenta una strada possibile per lo stoccaggio di energia elettrica in eccesso proveniente da fonti rinnovabili. La reazione di Sabatier è fortemente esotermica ed è limitata dalla termodinamica alle alte temperature richieste dai catalizzatori convenzionalmente utilizzati, a base di nickel. In queste condizioni, la selettività a CO è piuttosto elevata. In tal senso, i catalizzatori a base di rutenio risultano essere di particolare interesse a causa della loro maggior attività a temperature più modeste, permettendo una maggiore conversione di CO2 per passaggio con una quasi completa selettività a CH4. In questo contesto, questo lavoro di tesi – svolto nell’ambito di una collaborazione tra ENEA e il Politecnico di Milano – mira all’ottimizzazione dei catalizzatori a base di rutenio in condizioni di interesse industriale. In particolare, i possibili effetti di contaminanti che potrebbero essere presenti nell’alimentazione del processo (ovvero ossigeno e composti solforati) sono stati investigati su un catalizzatore appositamente preparato, composto dal 5% in peso di rutenio supportato su allumina.