Study of iron based catalysts for modified Fischer-Tropsch reaction

The contemporary challenges of reducing greenhouse gas emissions and decreasing dependence on fossil fuels require a shift to sustainable energy. Therefore, the possibility to convert mixtures of CO2 and hydrogen into valuable products as substitute of fossil-based ones has gained strong interest in recent years. Instead of CO, it is possible to use CO2 as carbon source for the Fischer-Tropsch process to obtain products with a low carbon footprint. This technology is called Modified Fischer-Tropsch. The aim of this thesis work is to study iron-based catalysts for the Modified Fischer-Tropsch process. Starting from an extensive literature research, we synthesized different catalysts, proposing different formulations that could improve the catalytic performances. To do this, we used different co-precipitation methods, various heat treatments and loaded different amounts of promoters into the synthesized samples. Two co-precipitations were adopted: in the first one iron and zinc formed the bulk material, while in the second one the preparation was adapted to allow precipitation of copper together with iron and zinc. In addition, different washing procedures of co-precipitation products were studied to further examine their effects on different preparations. Thanks to “temperature programmed reduction” (TPR), we studied the role of promoters on the reduction behavior of the catalytic material, focusing on the effect of potassium and copper loading. Moreover, thanks to charachterization techniques as “X-ray diffraction” (XRD) and “scanning electron microscopy” coupled to “energy dispersive X-ray spectroscopy” (SEM-EDS) we were able to understand the effects of different preparations on the catalyst structure and composition. Finally, we also prepared and tested a literature replica catalyst. The results allowed us to set a benchmark for subsequent researches on catalysts for the Modified Fischer-Tropsch reaction.

Le sfide contemporanee legate alla riduzione delle emissioni di gas serra e alla diminuzione della dipendenza dai combustibili fossili richiedono il passaggio verso un'energia sostenibile. Per questo motivo, la possibilità di convertire miscele di CO2 e idrogeno in prodotti di valore per sostituire i combustibili fossili ha generato un forte interesse negli ultimi anni. Invece del CO, è possibile utilizzare la CO2 come fonte di carbonio per il processo Fischer-Tropsch. Questa tecnologia è chiamata Fischer-Tropsch modificata. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è studiare catalizzatori a base di ferro per il processo Fischer-Tropsch modificato. Partendo da un'ampia ricerca in letteratura, abbiamo sintetizzato diversi catalizzatori e proposto diverse formulazioni che potessero migliorare le prestazioni catalitiche. A tal fine, abbiamo utilizzato diversi metodi di co-precipitazione, vari trattamenti termici e caricato diverse quantità di promotori sui campioni sintetizzati. Sono state adottate due co-precipitazioni: nella prima, ferro e zinco costituivano il materiale di base, mentre nella seconda, la preparazione è stata adattata per consentire la precipitazione del rame insieme a ferro e zinco. Inoltre, sono state studiate diverse procedure di lavaggio dei prodotti di co-precipitazione per esaminare ulteriormente i loro effetti sulle diverse preparazioni. Grazie alla “temperature programmed reduction” (TPR), abbiamo studiato gli effetti dei promotori sul comportamento di riduzione del materiale catalitico, concentrandoci sulle conseguenze di variazioni del carico di potassio e rame. Inoltre, grazie a tecniche di caratterizzazione come la ”X-ray diffraction” (XRD) e la “scanning electron microscopy” accoppiata alla “energy dispersive X-ray spectroscopy” (SEM-EDS), siamo stati in grado di comprendere gli effetti delle diverse preparazioni sulla struttura e sulla composizione del catalizzatore. Infine, abbiamo anche preparato e testato in impianto un catalizzatore replica della letteratura. I risultati ci hanno permesso di stabilire un punto di riferimento per le successive ricerche sui catalizzatori per la reazione Fischer-Tropsch modificata.