Experimental study of dual function materials for CO2 capture and methanation

The CO2 concentration in the atmosphere increases of about 2,5 ppm every year due the use of fossil-based fuels, mainly for the power generation and transportation sectors. A direct consequence of this is an increase in the average global temperature, which can be catastrophic for our planet. Our thesis aims to study different Dual Function Materials (DFM) composed of an adsorbent capable of capturing carbon dioxide and a catalytic active component capable of catalyzing the CO2 methanation reaction. The study was conducted under cyclic conditions alternating the adsorption phase and the reduction phase. The first part of our thesis is focused on studying the performance of Ba16/Ru1/Al2O3 catalyst in various operational conditions. First and foremost, the effect of water was investigated; water reduced the catalyst's methane production due to a decrease in the CO2 adsorbed, also it worsens the overall performance of the catalyst permanently. We have also studied the effect of the presence of NOx. The results demonstrate a small amount of NOx doesn’t not affect drastically the overall methane production, moreover, reducing the adsorption time as much as possible allows to eliminate any effect on the activity of the catalyst. The performance of four Ni-based hydrotalcite catalysts for low temperature applications has also been studied: La5Ni50/Al45, La5Ni50Mg25/Al45, Ru1La5Ni50/Al45 and Ru1La5Ni50Mg25/Al45. Comparing the single catalyst made up by Ni and La with the Ru and Ba catalyst, the best performance of the low temperature Ni catalyst was demonstrated. The addition of several elements to the catalyst has led to an improvement or deterioration of the catalyst. In particular, the reducing properties of Ru and the adsorbent properties of Mg were investigated. The study continued by investigating how the capture and conversion of CO2 change in function of the operating conditions of temperature and gas composition

La concentrazione di CO2 presente in atmosfera è in continua crescita, si verifica un aumento di circa 2,5 ppm ogni anno dovuto all’utilizzo di combustibili fossili soprattutto nei settori di produzione di energia elettrica e dei trasporti. Una diretta conseguenza è l’aumento della temperatura media globale, che può essere catastrofica per il nostro pianeta. La nostra tesi ha l’obiettivo di studiare diversi Materiali Bifunzionali (DFM), costituiti da un materiale adsorbente in grado di catturare l’anidride carbonica e un metallo attivo che catalizza la reazione di metanazione della CO2. Lo studio è stato condotto sotto condizioni cicliche alternando la fase di adsorbimento e la fase di riduzione. La prima parte della tesi si focalizza sullo studio del catalizzatore Ba16/Ru1/Al2O3. Innanzitutto, abbiamo studiato l'effetto dell'acqua, che diminuisce drasticamente la produzione di metano del catalizzatore andando a ridurre la quantità di anidride carbonica adsorbita, inoltre peggiora le prestazioni complessive del catalizzatore in modo permanente. Inoltre, è stato studiato l’impatto della presenza di NOx. I risultati dimostrano che una piccola quantità di NOx non influisce drasticamente sulla produzione complessiva di metano, inoltre ridurre il più possibile il tempo di adsorbimento permette di eliminare qualsiasi effetto sull'attività del catalizzatore. Sono state inoltre studiate le prestazioni di quattro catalizzatori idrotalciti a base di Ni per applicazioni a bassa temperatura: La5Ni50/Al45, La5Ni50Mg25/Al45, Ru1La5Ni50/Al45 e Ru1La5Ni50Mg25/Al45. Confrontando il catalizzatore composto da solo Ni e La con quello a base di Ru e Ba, è stata dimostrata la migliore prestazione del catalizzatore a base di Ni a bassa temperatura. L'aggiunta di diversi elementi al catalizzatore ha comportato un miglioramento o un peggioramento del catalizzatore. In particolare, sono state investigate le proprietà riducenti del Ru e quelle adsorbenti del Mg. Lo studio ha proseguito investigando come la cattura e la conversione di CO2 cambino in funzione delle condizioni operative di temperatura e composizione dei gas.