CO2 activation via Reverse Water Gas Shift Reaction on Pt/Al2O3: a kinetic analysis.

During the past two centuries, a technological revolution has impacted human behavior and actions, leading to an increase in energy requirements. This demand was primarily met by coal, oil, and natural gas due to their abundant availability and high energy density. The extensive use of fossil fuels has led to rising levels of CO2 in the atmosphere causing climate change. A promising method for achieving carbon neutrality is through the process of Reverse Water Gas Shift (RWGS) reaction. This involves using green hydrogen to activate CO2, resulting in the conversion of CO2 and H2 into CO and H2O (CO2 + H2 ⇄ CO + H2O). In addition to its capacity to reduce CO2, the RWGS reaction also yields CO as a notable advantage, which is a crucial intermediate for the synthesis of methanol and liquid hydrocarbons. The literature reveals that, when exposed to RWGS conditions Platinum and Rhodium exhibit different behaviors, due to their different affinity for oxygen. Studies using Rh-based catalysts reveal that CO2 activation on this metal occurs by dissociation into CO and O. A different behavior is expected from Pt-based catalyst, on which the preferential path should be the hydrogenation of CO2. This thesis aims to examine the mechanism of the Reverse Water Gas Shift reaction using a 4% Pt/Al2O3 metal-support catalyst across a broad range of operating conditions, varying the concentrations of the reactants (i.e., CO2 and H2) and of co-fed products (i.e., CO and H2O) in an annular reactor. Before conducting experimental tests, the catalyst is characterized by investigating the behavior of the metal in operando through XRD analysis, to verify its stability. Experimental data are then processed by applying the differential and integral method of kinetic analysis. The integral method approach is implemented using MATLAB code, which integrates the reactor material balances and fits the experimental data to obtain kinetic parameters and confirm the model consistency. Finally, a comparative analysis is performed between the results obtained for Platinum and those of Rhodium from previous studies, to gain a more comprehensive insight.

Nell’arco degli ultimi due secoli, la rivoluzione tecnologica ha trasformato significativamente il comportamento e le azioni della società, innescando un maggiore fabbisogno energetico. Per soddisfare tale richiesta, carbone, petrolio e gas naturale sono stati i principali protagonisti, in quanto disponibili in grandi quantità e aventi un’alta densità energetica. Tuttavia, l’utilizzo massiccio di questi combustibili fossili ha contribuito a incrementare i livelli di anidride carbonica nell’atmosfera, con conseguente impatto sul cambiamento climatico. Un metodo promettente per raggiungere la neutralità del carbonio consiste nell’utilizzare il processo RWGS (Reverse Water Gas Shift). Questa reazione prevede l’impiego di idrogeno verde per attivare la CO2, che porta alla conversione di CO2 e H2 in CO e H2O (CO2 + H2 ⇄ CO + H2O). Oltre alla capacità di ridurre la CO2, la reazione RWGS presenta il vantaggio di produrre anche CO, che rappresenta un intermedio cruciale per la sintesi di metanolo e idrocarburi liquidi. In base alla letteratura, si sostiene che il Platino e il Rodio mostrano comportamenti differenti quando vengono esposti alle condizioni di RWGS. Gli studi condotti su catalizzatori a base di Rh rivelano che l'attivazione della CO2 su questo metallo avviene preferenzialmente per dissociazione in CO e O. Un comportamento diverso è invece atteso dai catalizzatori a base di Pt, sui quali sembra essere favorita l’idrogenazione della CO2. Questa tesi si propone di esaminare il meccanismo della reazione di Reverse Water Gas Shift utilizzando 4% Pt/Al2O3, un catalizzatore a supporto metallico, in un ampio intervallo di condizioni operative, variando le concentrazioni dei reagenti (CO2 e H2) e dei prodotti (CO e H2O) in un reattore anulare. Prima di effettuare test sperimentali, il catalizzatore viene caratterizzato effettuando un’indagine sul comportamento del metallo in operando attraverso l’utilizzo della tecnica di analisi XRD, in modo da poterne verificare la stabilità. I dati sperimentali vengono conseguentemente rielaborati applicando il metodo di analisi cinetica differenziale e integrale. Il metodo integrale è applicato utilizzando un codice MATLAB, integrando i bilanci di materia del reattore. Inoltre, i dati sperimentali sono stati modellati per ottenere i parametri cinetici e verificare la coerenza del modello. Infine, si esegue un’analisi comparativa tra i risultati ottenuti sul Platino e quelli ottenuti sul Rodio da studi precedenti, allo scopo di ottenere una panoramica più dettagliata.