Kinetic study of NH3 decomposition over highly active Ru/CeO2 catalysts

One of the major challenges of our time is to reduce the amount of greenhouse gases (GHG) in the atmosphere in order to limit global warming. Improving energy efficiency, accelerating the deployment of renewable energy and direct electrification will be the main drivers. Renewable electricity or fuels are not always technically feasible: hydrogen can be the link between electricity generation and hard-to-abate sectors. Among all the energy carriers ammonia seems to be the most promising one due to its high H2 content and the already well-established infrastructure for its production, storage and transportation. To use ammonia as an energy and hydrogen carrier it is necessary to install adequate facilities for its decomposition and to develop innovative catalysts with enhanced performance to achieve high conversion rates under optimized operating conditions. Of all the transition metals Ru has been identified as the most active for ammonia decomposition. The aim of this work is to derive a kinetic model and improve the mechanistic understanding of the NH3 decomposition reaction over Ru/CeO2 catalysts. Firstly, a commercial Ru/Al2O3 catalyst is tested and then used as the reference for the study of two different Ru/CeO2 formulations prepared by incipient wetness impregnation and mechanochemical methods, respectively. Ceria is found to be the most promising support among those studied and no direct evidence of a dependence of the performance on the preparation method is reported. The kinetic investigation reveals a dependence of the kinetic mechanism on the reaction temperature, which evolves in the formulation of a peculiar kinetic model. This work is part of the Grind-Ru project: Green Route Toward NH3 decomposition catalysis based on ruthenium.

Una delle principali sfide del nostro tempo è ridurre la quantità di gas serra emessi in atmosfera per limitare il riscaldamento globale. Tra le soluzioni chiave vi sono il miglioramento dell'efficienza energetica, l'accelerazione della diffusione delle energie rinnovabili e l'elettrificazione diretta. Non tutti i metodi di generazione di elettricità o di utilizzo di combustibili rinnovabili sono tecnicamente applicabili in ogni contesto: l'idrogeno può rappresentare l'anello di congiunzione tra la generazione di elettricità e i settori difficili da decarbonizzare. Tra tutti i vettori energetici, l'ammoniaca sembra essere il più promettente grazie al suo elevato contenuto di idrogeno e alle infrastrutture già consolidate per la sua produzione, stoccaggio e trasporto. Per utilizzare l'ammoniaca come vettore energetico e di idrogeno è necessario installare strutture adeguate alla sua decomposizione e sviluppare catalizzatori innovativi ad alte prestazioni per ottenere alti tassi di conversione in condizioni operative vantaggiose. Tra tutti i metalli di transizione, il Ru è riconosciuto come il più attivo per la decomposizione dell'ammoniaca. L'obiettivo di questo lavoro è quello di derivare un modello cinetico e migliorare la comprensione meccanicistica della reazione di decomposizione dell'ammoniaca su catalizzatori Ru/CeO2. In primo luogo, è stato testato un catalizzatore commerciale Ru/Al₂O₃, poi utilizzato come riferimento per studiare due diverse formulazioni di Ru/CeO₂ preparate rispettivamente con metodi di impregnazione e meccanochimici. La ceria si è rivelata la più promettente tra i supporti studiati e non sono state riscontrate prove dirette di una dipendenza delle performance dal metodo di preparazione. L'indagine cinetica rivela una dipendenza del meccanismo cinetico dalla temperatura di reazione, che evolve nella formulazione di un peculiare modello cinetico. Questo lavoro fa parte del progetto Grind-Ru: Green Route Toward NH3 decomposition catalysis based on ruthenium.