Study of In2O3-ZrO2 and SAPO-34 integration for CO2-to-olefins reaction

Climate change is one of the most pressing challenges of the present time, with consequences on the ecosystem of the planet and human society. At the heart of this issue is the rising concentration of carbon dioxide in the atmosphere, primarily driven by human activities. Addressing this challenge requires a comprehensive examination of low-carbon technologies. The possibility of using CO2 as a carbon source to produce high added-value products is both industrially and environmentally appealing. Among the potential processes, the synthesis of lower olefins is particularly promising. One possible method for converting carbon dioxide into lower olefins is a two-step process. Firstly, CO2 is converted into methanol (CTM), which is then further transformed into olefins (MTO). The aim of this research is to investigate the conversion of CO2 into lower olefins using a “one-pot” configuration, where both CTM and MTO happen in the same reactor. These two reactions require opposite operating conditions. The CTM reaction is conventionally carried out at high pressure and low temperature, whereas the MTO reaction occurs at low pressure and high temperature. Moreover, it is crucial to minimize the production of carbon monoxide, a product of the Reverse Water Gas Shift (RWGS) reaction, which is the primary side reaction of the process. Thus, a compromise in the operating conditions is required to conduct both reactions in a single-step process. In the performed experiments, the system involved the integration of two distinct catalysts within a single reactor. Specifically, In2O3-ZrO2 was chosen as the catalyst for methanol synthesis (CTM), while SAPO-34 was selected for the methanol to light olefins reaction (MTO). This thesis explores different catalysts layouts to understand how the two catalysts interact when placed in different proximities. Moreover, a series of tests were carried out, varying the relative weight of the two catalysts to enhance the selectivity towards the targeted products. This work highlights the importance of the catalyst arrangement in maximizing selectivity for the target products in the one-pot CO2 conversion to lower olefins.

Il cambiamento climatico è una delle sfide più urgenti di questa era, con conseguenze sugli ecosistemi planetari e sulla società. Al centro di questo problema troviamo la crescente concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera, che è dovuta principalmente all’attività umana. Affrontare questa sfida richiede un’analisi approfondita delle attuali tecnologie a basse emissioni di carbonio. La possibilità di utilizzare la CO2 come fonte di carbonio per realizzare dei prodotti che abbiano un alto valore aggiunto, è interessante sia dal punto di vista industriale che ambientale. Tra i potenziali processi, particolarmente promettente è la sintesi di olefine leggere. Un possibile metodo per convertire l’anidride carbonica in olefine leggere richiede un processo in due fasi. In primo luogo, la CO2 viene convertita in metanolo (reazione CTM), che viene poi ulteriormente trasformato in olefine (reazione MTO). L’obbiettivo di questa ricerca è studiare la conversione della CO2 in olefine leggere utilizzando una configurazione “one-pot”, in cui sia la prima reazione CTM che la seconda MTO vengono eseguite nello stesso reattore. Queste due reazioni richiedono condizioni operative opposte. La reazione CTM viene generalmente effettuata a pressioni elevate e basse temperature, mentre la reazione MTO viene eseguita a basse pressioni e alte temperature. Inoltre, è fondamentale ridurre al minimo la produzione di monossido di carbonio, un prodotto della reazione secondaria più comune del processo, la reazione di Reverse Water Gas Shift (RWGS). Pertanto, è necessario trovare un compromesso nelle condizioni operative del processo, così da poter condurre entrambe le reazioni all’interno di un unico reattore. Negli esperimenti condotti, il processo ha richiesto l’integrazione di due diversi catalizzatori all’interno di un unico reattore. In particolare, il catalizzatore In2O3-ZrO2 è stato scelto come catalizzatore per la sintesi del metanolo (reazione CTM), mentre la zeolite SAPO-34 è stata selezionata per la reazione da metanolo a olefine leggere (reazione MTO). In questa ricerca, sono state analizzate diverse configurazioni dei due catalizzatori, per capire come interagiscono se posizionati a diverse distanze. Inoltre, sono state effettuate una serie di prove variando i pesi relativi dei due catalizzatori, cercando di migliorare la produzione di olefine leggere. Questo studio evidenzia l’importanza della disposizione del catalizzatore nel massimizzare la selettività verso i prodotti desiderati nel processo di conversione da CO2 ad olefine leggere.