Study of Reverse Water Gas Shift (RWGS) reaction over Cu-Fe/CeO2

Reverse Water Gas Shift Reaction (RWGS) is an attractive solution for CO2 utilization and consecutive reduction of emissions in the atmosphere. This reaction is limited by thermodynamics while there are problems with its implementation at large scale. In order to improve the process feasibility it is necessary to develop an efficient and effective catalyst. Contrary to typical studies where catalytically active metals are deposited on inert supports, in this study the investigation of a bimetallic (Fe-Cu) catalyst on active support was carried out. In particular, the RWGS reaction was studied over Cu-Fe/CeO2 catalyst with and without potassium promotion by means of catalytic activity tests in a fixed bed reactor. The catalysts were synthesized by hydrothermal method and successive impregnation of active metals. All the materials were characterized by means of BET analysis, H2 temperature programmed reduction, X-ray diffraction and ICP-MS elemental analysis. The effect of temperature and H2/CO2 inlet molar ratio was assessed. Experimental results showed that Cu-Fe combination exhibits considerable catalytic activity at temperatures greater than 500°C. CO2 conversions from 24% to 100% of the equilibrium conversion were achieved at gas hourly space velocities of 360 000 h−1. Selectivity for CO varied between 70-95%. Potassium promotion plausibly results into a partial coverage of active sites, thus leading to lower conversion (10%- 50% of the equilibrium value). Long term runs (69-100h) did not show any sign of deactivation nor selectivity loss for the unpromoted catalysts, while the K-promoted catalyst exhibited a slow activity decay probably due to sintering.

La reazione di Reverse Water Gas Shift (RWGS) costituisce una possibile soluzione per l’utilizzo di CO2 e per la riduzione di emissioni di gas serra in atmosfera. Tale reazione è limitata termodinamicamente e l’applicazione su grande scala presenta diversi ostacoli. Per migliorarne l’applicabilità su scala industriale è necessario disporre di un catalizzatore attivo e selettivo. Contrariamente alle tecnologie solitamente impiegate, in cui metalli attivi sono depositati su supporti inerti, in questo studio è stato investigato un catalizzatore bimetallico (Fe-Cu) con supporto attivo. In particolare, la RWGS è stata studiata su un catalizzatore Cu-Fe/CeO2, inoltre è stato analizzato l’effetto del potassio come promotore. L’attività catalitica dei campioni è stata testata in un reattore a letto fisso. I catalizzatori sono stati sintetizzati tramite "hydrothermal method" e successivo deposito dei metalli attivi. I materiali così ottenuti sono stati caratterizzati tramite analisi BET, riduzione programmata con H2 e diffrazione ai raggi X. Inoltre, è stata analizzata l’influenza del rapporto molare H2/CO2 in alimentazione. I risultati sperimentali hanno riportato un’elevata attività della combinazione Cu-Fe a temperature superiori a 500°C. Con una velocità spaziale di 360 000 h−1, sono state raggiunte conversioni tra il 24% e il 100% del valore di equilibrio e selettività verso CO comprese tra 70% e 95%. L’aggiunta di potassio ha prodotto una minore conversione (10%-50% del valore di equilibrio), probabilmente a causa dell’ostruzione dei siti attivi. Alcune prove catalitiche a lungo termine (69-100h) non hanno riportato segni disattivazione o perdita di selettività per i campioni senza potassio, mentre l’aggiunta del promotore è risultata in una lenta perdita di attività, probabilmente a dovuta al fenomeno di "sintering."