Kinetic analysis of CO2 activation via reverse water gas shift reaction on Rh and Pt surfaces

Starting from the Industrial Revolution of 18th century, the energy availability changed the human habits and its consumption dramatically increased. However, most of the Total Energy Supply (TES) comes from fossil fuels which cover more than 80%. This large use of fossil fuels is causing an increase of the CO2 concentration in the atmosphere, which is a greenhouse gas, causes the increase of the average temperature on Earth, leading to climate-change effects. In the last century, the average CO2 concentration in the atmosphere is highly increased, causing increasing concerns. A possible route to allow a fast transition towards a CO2-neutral economy and a more sustainable energy future, which considers CO2 a valuable raw material instead of a waste, consists of CO2 hydrogenation. The chemical reaction of Reverse Water Gas Shift is an appreciable alternative where carbon dioxide reacts with hydrogen to generate CO, a key molecule in the industrial chemistry, employed to produce methanol and liquid hydrocarbons. The aim of this work is the mechanistic investigation of the reverse water gas shift reaction in a wide range of operating conditions on two different metal-support catalysts: 4% Rh/Al2O3 and 4% Pt/Al2O3. A wide set of concentration of the reactants (i.e., CO2 and H2) and of co-fed products (i.e., CO and H2O) is studied, to provide insights in the reaction mechanism. Moreover, it is proposed a mechanistic understanding of the system, by applying the differential and integral method of kinetic analysis. Integral method approach is applied for Rhodium catalyst, by means of MATLAB code, integrating the material balance of the reactor and the fitting of the experimental data to obtain the kinetic parameters and verify the consistence of the model was made. Finally, a Platinum catalyst with the same load and support of the Rhodium one is investigated, to assess the eventual dependence of the mechanism on the metal.

A partire dalla Rivoluzione Industriale del XVIII secolo, la disponibilità di energia ha cambiato le abitudini umane, di conseguenza e il suo consumo è aumentato drasticamente. Tuttavia, la maggior parte dell'approvvigionamento energetico totale proviene da combustibili fossili che coprono oltre l'80% del totale. L’uso eccessivo di essi sta provocando un aumento della concentrazione di CO2 nell'atmosfera il quale è un gas climalterante, che provoca l'aumento della temperatura media sulla Terra, portando a effetti di cambiamento climatico. Una possibile strada per consentire una rapida transizione verso un'economia a zero emissioni di CO2 e un futuro energetico più sostenibile, che consideri la CO2 una materia prima preziosa anziché un rifiuto, consiste nell'idrogenazione della CO2. La reazione chimica di Reverse Water Gas Shift (RWGS) è un'apprezzabile alternativa dove l'anidride carbonica reagisce con l'idrogeno per generare CO, una molecola chiave nella chimica industriale impiegata per la produzione di metanolo e idrocarburi liquidi. Lo scopo di questo lavoro è l'indagine meccanicistica della reazione RWGS per un’ampia varietà di condizioni operative su due diversi catalizzatori a supporto metallico: 4% Rh/Al2O3 e 4% Pt/Al2O3. Un ampio set di concentrazione dei reagenti (es. CO2 e H2) e dei prodotti co-alimentati (es. CO e H2O) viene analizzato al fine di fornire approfondimenti sul meccanismo di reazione. Inoltre, si propone una comprensione meccanicistica della reazione, applicando il metodo differenziale e integrale dell'analisi cinetica. L'approccio del metodo integrale viene applicato per il catalizzatore al Rodio, mediante codice MATLAB, integrando il bilancio di materia del reattore e modellando i dati sperimentali per ottenere i parametri cinetici e verificare la consistenza del modello stesso. Infine, viene studiato un catalizzatore al Platino con lo stesso carico e lo stesso supporto di quello al Rodio, per valutare l'eventuale dipendenza del meccanismo dal metallo.