Development of Ru/g-Al2O3 catalysts for CO2 hydrogenation to synthetic natural gas

The scientific community agrees in attributing the consequences of global warming to anthropogenic emissions of greenhouse gases into the atmosphere. The energy transition, i.e., moving from a fossil fuel-based energy mix to one focused on renewables, is the main process to achieve Carbon Neutrality by 2050. The non-programmability of many of the renewable energy sources implies an increasing need to integrate energy storage systems to decouple production and demand. The Power-to-Gas technology makes it possible to convert electricity into chemical energy and store it in the form of a gaseous synthetic fuel, made from CO2 captured by industrial processes and H2 produced by electrolysis of H2O. In this way, the final product will have a net zero impact in terms of CO2 emissions. In particular, the Power-to-Methane variant that uses methanation of CO2 to obtain synthetic methane, via the Sabatier reaction, will be presented. This work will focus on analyzing the performances of ruthenium-based catalysts for the methanation reaction. In parallel with the initial activity tests, preparations of the 4% Ru/γ-Al2O3 catalysts by varying the diameter size of the γ-Al2O3 pellet will be carried out and characterization analyses on 0.25%-8% Ru/γ-Al2O3, including BET, BJH, TPR, XRD and SEM-EDX, will be discussed. Subsequently, the effect of ruthenium loading and calcination process on the conversion of CO2 and selectivity to CO and C2H6 will be studied. Similarly, the effect of catalyst size on the reaction will also be evaluated, testing empirical criteria in order to assess the presence of diffusion limitations and a comparison will be made in terms of activation energy. Indeed, one purpose of the study is to be able to consider the use of structured reactors loaded with the optimal catalyst size to control the heat of the reaction, which is found to be highly exothermic. Finally, the work will end with a kinetic investigation of 4% Ru/γ-Al2O3 catalyst, by testing experimental and mechanistic models to reproduce the effect of variation of temperature, ratio of H2/CO2, GHSV and percentage of inert on the experimental data.

La comunità scientifica è concorde nell’attribuire le conseguenze del riscaldamento globale alle emissioni antropiche di gas a effetto serra in atmosfera. La transizione energetica, ovvero il passaggio da un mix energetico basato sui combustibili fossili a uno concentrato sulle fonti rinnovabili, rappresenta il processo principale per raggiungere entro il 2050 la Carbon Neutrality. La non programmabilità di molte delle fonti di energia rinnovabile implica una sempre maggiore necessità di integrare sistemi di accumulo per lo stoccaggio dell’energia, al fine di disaccoppiare produzione e domanda. La tecnologia Power-to-Gas consente di convertire l’energia elettrica in energia chimica e immagazzinarla sotto forma di un carburante sintetico gassoso, ottenuto a partire da CO2 catturata da processi industriali e H2 prodotto tramite elettrolisi di H2O. In questo modo il prodotto finale avrà un impatto netto nullo in termini di emissioni di CO2. In particolare, verrà presentata la variante Power-to-Methane che utilizza la metanazione della CO2 per ottenere metano sintetico, mediante la reazione Sabatier. Questo lavoro verterà sull’analisi delle performance di catalizzatori a base di rutenio per la reazione di metanazione. Parallelamente ai primi test di attività, verranno effettuate le preparative dei catalizzatori 4% Ru/γ-Al2O3 variando la dimensione del diametro del pellet di γ-Al2O3 e discusse analisi di caratterizzazione sui catalizzatori 0.25%-8% Ru/γ-Al2O3, tra cui BET, BJH, TPR, XRD e SEM-EDX. Successivamente verrà studiato l’effetto del carico di rutenio e del processo di calcinazione sulla conversione di CO2 e selettività a CO e C2H6. Allo stesso modo verrà esaminato anche l’effetto della dimensione del catalizzatore sulla reazione, testando criteri empirici per valutare l’intervento di limitazioni diffusive e verrà effettuato un confronto in termini di energia di attivazione. Uno scopo dello studio è infatti quello di poter considerare l’utilizzo di reattori strutturati caricati con il catalizzatore di dimensioni ottimali, per controllare il calore della reazione, la quale risulta essere altamente esotermica. Infine, l’elaborato terminerà con un’indagine cinetica sul catalizzatore 4% Ru/γ-Al2O3 testando modelli sperimentali e meccanicistici per riprodurre l’effetto di variazione di temperatura, rapporto H2/CO2, GHSV e percentuale di inerti sui dati sperimentali.