Joule heated catalytic reactor for CO2 valorization via reverse water gas shift

The increasing urgency to mitigate global warming has driven growing interest in sustainable strategies for CO₂ utilization. Among the various approaches proposed, the Reverse Water Gas Shift (RWGS) reaction has emerged as a particularly attractive route, as it enables the conversion of captured CO₂ into syngas — a mixture of CO and H₂ — which serves as a fundamental intermediate for the production of synthetic fuels and a wide range of valuable chemicals. Despite its potential, the RWGS process presents several challenges: being endothermic and equilibrium-limited, it requires high operating temperatures to achieve appreciable CO₂ conversion. Furthermore, it competes with the methanation reaction, which can result in undesired CH₄ formation, especially at elevated pressures. This work explores the electrification of the Reverse Water Gas Shift (RWGS) by means of a reactor concept which relies on the direct electrification of a SiSiC foam structure which serves as heating element. The foam was packed with a Rh/γ-Al₂O₃ catalyst, known for its high activity in the RWGS reaction. The thermal behaviour of the SiSiC foam structures was first characterized under non-reactive conditions in order to separate the effect of Joule heating from the reaction. A visual and qualitative observation of the material behaviour was carried out using a quartz reactor. In addition, temperature profiles under inert atmosphere were recorded and analysed in the same stainless-steel reactor employed for RWGS reaction. An initial reactor configuration was investigated in the laboratory, where the electric current was made to flow vertically through the catalytic foam, from the upper to the lower contact. A second configuration was later identified as a promising alternative: in this design, the cylindrical foam is partially cut along its axis, starting from the top and stopping before reaching the bottom, forcing the current to follow a U-shaped path. This configuration provides a versatile means to increase the overall reactor resistance while keeping the very same volume and low pressure drops. Both foam structures were tested for RWGS in the stainless-steel reactor, exploring a range of operating conditions by varying temperature, pressure, and gas hourly space velocity. The H₂/CO₂ feed ratio was maintained equal to 3, this corresponds to a value that ensures a syngas production with a Stoichiometric Number of 2, suitable for downstream methanol synthesis. The results demonstrate the feasibility of the proposed electrified reactor RWGS technology, achieving CO₂ conversion and CO selectivity values close to the thermodynamic equilibrium limits. The system exhibited stable operation, with no evidence of catalyst deactivation or carbon deposition. Moreover, the findings show that higher space velocities lead to improved thermal efficiency, further supporting the scalability of the reactor toward larger-scale applications.

L’urgenza sempre più pressante di mitigare il riscaldamento globale ha stimolato un crescente interesse verso strategie sostenibili per l’utilizzo della CO₂. Tra i vari approcci proposti, la reazione di Reverse Water Gas Shift (RWGS) è emersa come una via particolarmente promettente, in quanto consente di convertire la CO₂ catturata in syngas — una miscela di CO e H₂ — che rappresenta un intermedio fondamentale per la produzione di combustibili e di un’ampia gamma di composti chimici. Nonostante il suo potenziale, il processo RWGS presenta alcune sfide significative: essendo endotermico e limitato dall’equilibrio, richiede elevate temperature operative per ottenere conversioni apprezzabili di CO₂. Inoltre, compete con la reazione di metanazione, che può portare alla formazione indesiderata di CH₄, in particolare ad alte pressioni. Il presente lavoro esplora l’elettrificazione del processo di RWGS mediante un concetto di reattore basato sull’elettrificazione diretta di una schiuma in SiSiC, che funge da elemento riscaldante. Le schiume sono state impaccate con catalizzatore Rh/γ-Al₂O₃, noto per la sua elevata attività nella reazione di RWGS. Il comportamento termico delle strutture in SiSiC è stato inizialmente caratterizzato in condizioni non reattive, al fine di separare il fenomeno di riscaldamento per effetto Joule dalla reazione. È stata effettuata un’osservazione visiva e qualitativa del comportamento del materiale utilizzando un reattore in quarzo. Inoltre, sono stati registrati e analizzati dei profili di temperatura in atmosfera inerte nello stesso reattore in acciaio inossidabile impiegato per la reazione RWGS. Una prima configurazione di reattore è stata analizzata in laboratorio, dove la corrente elettrica veniva fatta circolare verticalmente attraverso la schiuma catalitica, dal contatto superiore a quello inferiore. Successivamente, è stata identificata una promettente configurazione alternativa: in questo caso, la schiuma cilindrica è parzialmente tagliata lungo l’asse, dall’alto verso il basso, in modo da forzare la corrente a seguire un percorso a forma di U. Questa configurazione permette di aumentare la resistenza complessiva del reattore mantenendo lo stesso identico volume e basse le perdite di carico. Entrambe le strutture sono state testate per la reazione RWGS nel reattore in acciaio inossidabile, esplorando un intervallo di condizioni operative al variare di temperatura, pressione e gas hourly space velocity (GHSV). Il rapporto H₂/CO₂ è stato mantenuto pari a 3, tale valore produce un syngas con numero stechiometrico di 2, idoneo per la successiva sintesi del metanolo. I risultati ottenuti dimostrano la fattibilità della tecnologia di reattore elettrificato proposta per la reazione RWGS, raggiungendo valori di conversione della CO₂ e selettività verso CO prossimi ai limiti di equilibrio termodinamico. Il sistema ha mostrato un funzionamento stabile, senza evidenze di disattivazione del catalizzatore o formazione di carbonio. Inoltre, le evidenze sperimentali indicano che, a maggiori GHSV, si osserva un miglioramento dell’efficienza termica, a supporto della potenziale scalabilità del reattore verso applicazioni su scala più ampia.