Catalisi termochimica per lo splitting di CO2: supporti per ferriti attivate con Mg e Ni

Il lavoro di tesi verte sullo studio della catalisi termochimica per lo splitting di anidride carbonica, utilizzando come catalizzatori ferriti attivate da nichel e magnesio. Dopo una ricerca bibliografica circa lo stato dell'arte, si è scelto di utilizzare come catalizzatore lo spinello Ni0,9Mg0,1Fe2O4, e si è cercato di osservare come variano le performance di questo utilizzando supporti inerti, come la zirconia, utilizzata in letteratura, e supporti in grado di trasportare ossigeno velocemente in modo da liberare i siti superficiali più in fretta possibile così da far avvenire la reazione in maniera più veloce. I materiali utilizzati dunque come supporti sono l'ossido di nichel e l'ossido di rame. Il ciclo termochimico prevede infatti reazioni che avvengono in superficie, ovvero una prima fase ad alta temperatura dove si ha una riduzione termica, cioè il materiale si riduce rilasciando ossigeno a causa della temperatura, e un secondo step a temperatura inferiore dove questo materiale è in grado di riprendere l'ossigeno precedentemente perso dall'anidride carbonica e dall'acqua formando rispettivamente monossido di carbonio e idrogeno, ovvero la composizione del syngas che verrà utilizzato poi per produrre combustibili sintetici. Si studiano perciò le performance dei materiali sia al variare del tipo di supporto utilizzato che al variare della concentrazione in peso di esso nel sistema, in particolare le percentuali studiate saranno di 20% e 50% in peso. La prima fase riguarda la sintesi dei vari sistemi: il catalizzatore viene sintetizzato tramite metodo sol-gel del citrato e poi esso viene mescolato con i supporti mediante wet ball milling. La seconda fase prevede la caratterizzazione dei composti così ottenuti tramite XRD, XPS, SEM ed EDX in modo da osservare se i sistemi ottenuti sono quelli desiderati. Dopodiché vengono studiate le performance massime sulla base di rilascio di ossigeno e suo recupero tramite rispettivamente TPR e TPO, ed infine sono stati effettuati due cicli di splitting di anidride carbonica, rilevati tramite spettrometro di massa. Dato che nessun materiale rilascia ossigeno entro i 1000°C, temperatura massima raggiungibile in laboratorio, si è pensato di operare un trattamento riducente simile a quello eseguito durante la TPR. Perciò il materiale è stato scaldato con una rampa di 10°C/min in un'atmosfera al 5% di idrogeno in elio fino a 580°C, circa la temperatura del massimo di riduzione vista sulla TPR del catalizzatore puro, poiché la fase attiva per la separazione della CO2 non è lo spinello completamente ridotto bensì una sua fase chiamata wustite (FeO), la quale presenta vacanze di ossigeno in grado di catturare quello presente nell'anidride carbonica e nell'acqua. Lo splitting verrà poi eseguito a 1000°C facendo flussare 10% di CO2 in elio. Si è visto che supportare lo spinello con ossido di rame porta ad un aumento di performance rispetto allo spinello puro, tuttavia l'alto sintering porta ad un elevato peggioramento durante il secondo ciclo. Viceversa, utilizzando ossido di zirconio come supporto si ottiene meno sintering ma inferiore attività catalitica, poiché ZrO2 è un materiale inerte. L'ossido di nichel invece porta a inferiore sintering rispetto allo spinello puro ma ne peggiora la reattività. In generale, mischiare al 20% in massa di supporto con il catalizzatore porta a migliori performance rispetto al mescolamento al 50%. Ulteriori studi saranno necessari per ottimizzare la percentuale di mescolamento tra supporti e catalizzatore. Potrebbe inoltre essere interessante provare ad inserire il rame nella struttura dello spinello invece del magnesio, oppure provare a stabilizzarlo come supporto in modo da ottenere minori sintering.