Operando FT-IR spectroscopy investigation of Dual Function Materials (DFMs) for cyclic CO2 methanation

The intensification of atmospheric phenomena, often of catastrophic nature, has prompted the scientific community to develop increasingly innovative processes to mitigate climate change and global warming. In this regard, among the strategies proposed in recent years to reduce greenhouse gas emissions, Dual Function Materials (DFMs) play an interesting role. They aim to capture CO2 from industrial combustion gases and convert it into CH4 using green H2. These systems take advantage of the coexistence of an alkali or alkaline earth metal, responsible for carbon dioxide capture, and a noble metal, active in the reduction of captured CO2. These metals, deposited on a porous support, offer the possibility to develop a heterogeneous catalytic process known as cyclic methanation. This technique presents numerous advantages, including heat recovery to facilitate the desorption of carbon dioxide from the catalyst’s basic sites, as well as low operating costs, given the opportunity to work at constant pressure and temperature conditions. In this context, this Thesis aims, through the use of Operando FT-IR spectroscopy, at analyzing the stability, reactivity, and behavior of the chemical species formed on the surface of two bifunctional catalysts (RuK/Al2O3 & RuBa/Al2O3), which have the same noble metal (Ru) but differ in the type of adsorbent metal. The behavior of these materials has been analyzed also in the presence of other typical exhaust gas components such as O2 and NO, which have been shown to reduce the adsorption capacity of the catalyst and negatively influence the reaction kinetics. It can also be stated that barium possesses a greater CO2 storage capacity compared to potassium. Finally, the results obtained by analyzing the reactor’s inlet and outlet separately have been compared, yielding interesting insights into the preferential disposition and interaction between adsorbed nitrates and carbonates on the catalytic bed surface during adsorption at varying NO concentrations.

L’intensificazione dei fenomeni atmosferici, spesso a carattere catastrofico, ha spinto la comunità scientifica a sviluppare processi sempre più innovativi per mitigare il cambiamento climatico e il surriscaldamento del globo. A tal proposito, tra le strategie proposte negli ultimi anni per ridurre le emissioni di gas serra ricoprono un ruolo interessante i catalizzatori bifunzionali, che si propongono come scopo quello di catturare la CO2 proveniente dai gas combusti industriali e convertirla a CH4 tramite l’utilizzo di H2 verde. In tali sistemi viene sfruttata la co-presenza di un metallo alcalino o alcalino terroso, responsabile della cattura dell’anidride carbonica e di un metallo nobile, attivo nella riduzione della CO2 catturata, i quali, depositati su un supporto poroso, offrono la possibilità di sviluppare un processo di catalisi eterogenea che prende il nome di metanazione ciclica. Questa tecnica presenta numerosi vantaggi, tra i quali si annoverano il recupero di calore, atto a favorire il desorbimento dell’anidride carbonica dai siti basici del catalizzatore nonchè i bassi costi operativi, data l’opportunità di lavorare in condizioni di pressione e temperatura costanti. In tale contesto, questa Tesi si propone, attraverso l’utilizzo della tecnica di spettroscopia FT-IR in Operando, di analizzare la stabilità, la reattività e il comportamento delle specie chimiche formate sulla superficie di due catalizzatori bifunzionali (RuK/Al2O3 & RuBa/Al2O3), che presentano lo stesso metallo nobile (Ru), ma differiscono per il tipo di metallo adsorbente. Il comportamento di tali materiali è stato analizzato anche in presenza di altri componenti tipici di un gas di scarico come O2 e NO, che si sono dimostrati in grado di ridurre la capacità di adsorbimento del catalizzatore e di influenzare negativamente la cinetica di reazione. È possibile inoltre affermare come il bario possieda maggiori capacità di stoccaggio di CO2 rispetto al potassio. Infine, sono stati confrontati, con interessanti risvolti, i risultati ottenuti analizzando singolarmente l’ingresso e l’uscita del reattore, per comprendere meglio la disposizione preferenziale e l’interazione fra nitrati e carbonati adsorbiti sulla superficie del letto catalitico durante l’adsorbimento a concentrazioni variabili di NO.