Experimental study on green Ammonia and green Methane production using Dual Functional Materials

Valorization of pollutants has gained interest from the scientific community, in particular for the reduction of CO2 and NOx emissions. These two molecules, renewed for their greenhouse potency and toxicity, respectively, can be captured and later hydrogenated by means of Dual Function Materials (DFMs). Their formulation is comprehensive of a storage element (I and II group metals) capable of capturing the pollutant and a noble metal which should be active towards the hydrogenation of the adsorbed molecule (Rh, Ru, Pt), both supported over a porous, high surface material (Al2O3). In this master thesis work, DFMs have been tested for cyclic capture of NOx and hydrogenation to NH3 and for cyclic capture and methanation of CO2. Starting from the former, the effect of the metal has been studied: Pt proves to be the most active material, with good ammonia selectivity and amount of NOx adsorbed at low temperatures. Rh is the best material in terms of ammonia production and selectivity in the absence of CO2 at 250-300°C, while Ru performances are quite poor in all conditions, being marginally effective only at 350°C. The effect of CO2 in adsorption provided an increase in reduction selectivity, which has been studied along with the mechanisms leading to N2O formation. Cyclic capture and methanation has been studied starting from the optimization of the preparation recipe: instead of state-of-the-art γ−Al2O3, commercial microporous SiO2 has been utilized. Characterization experiments have been performed to assess the adsorption capacity and reactivity of the catalysts, resulting in lower CO2 uptakes with respect to a reference Ru−Ba/Al2O3 catalyst. Inverting the order of impregnation provided a significant increase of the adsorption capacity of the catalyst, also paired with the higher barium load. The utilization of a different storage element (Na and K) provided loss of catalytic surface area possibly due to pore blocking, but with promising results for low Na loadings.

La valorizzazione degli inquinanti ha ottenuto l’interesse della comunità scientifica, in particolare la riduzione delle emissioni di CO2 e NOx. Queste due molecole, note rispettivamente come un potente gas serra e per la sua tossicità, possono essere catturate e idrogenate tramite l’uso dei materiali bi-funzionali (DFM). La loro formulazione comprende un elemento di stoccaggio (metalli del I e II gruppo), capace di catturare l’inquinante, e una specie attiva (metallo nobile Rh, Ru, Pt) in grado di ridurlo, entrambi supportati sullo stesso materiale poroso e con un’alta superficie specifica (Al2O3). In questa tesi, i DFM sono stati testati nella cattura ciclica degli NOx e la loro idrogenazione a NH3 e la metanazione ciclica della CO2. Partendo dal primo, è stato studiato l’effetto del metallo nobile: Pt si è dimostrato la specie più attiva, con un buon adsorbimento e selettività a basse T. Rh è il miglior materiale in termini di produttività e selettività ad ammoniaca in assenza di CO2 a 250-300°C, mentre le prestazioni del Ru sono basse in tutte le condizioni, risultando efficace solo a 350°C. L’effetto della CO2 in adsorbimento causa un aumento della selettività in riduzione, perciò è stato studiato insieme alla formazione di N2O. La cattura e metanazione ciclica è stata studiata a partire dalla preparativa: invece della state-of-the-art γ−Al2O3, è stata usata SiO2 microporosa commerciale. Sono stati condotti esperimenti di caratterizzazione sull’adsorbimento e la reattività del catalizzatore, da cui si ottiene una minore cattura di CO2 rispetto al Ru−Ba/Al2O3 di riferimento. Cambiare l’ordine di impregnazione e aumentare il carico di bario è risultato in un aumento della capacità di adsorbimento. L’utilizzo di una diversa specie di stoccaggio (Na e K) causa la perdita di superficie nel catalizzatore, a causa del blocco dei pori, ma porta a risultati promettenti per bassi carichi di Na.