Catalisi eterogenea per applicazioni ambientali

In this thesis various metal oxides have been employed to tackle the issue of atmospheric pollution with the final perspective of climate change mitigation. Efforts have been devoted to the abatement of both CO, NO and other pollutants deriving from automotive engine sources and carbon dioxide. In this latter case the final aim is the valorization of carbon dioxide into an easily applicable fuel, methane, with high selectivity and yield. In this way the advantages are several: firstly this enables the decrease of its concentration in the atmosphere and on the other side it allows the production of a valuable fuel, with already established applications, closing the carbon cycle that led to carbon dioxide emission in the atmosphere itself. Extensive characterization of the materials developed allowed to correlate such results with the catalytic activity performances, shedding light on the mechanisms involved and contributing to the enhancement of the catalytic performances as well. Together with some conventional approaches to heterogeneous catalysis techniques, an innovative procedure was developed to incorporate nickel (the active catalyst) into an unusual support, a molecular sieve carbon membrane. This particular support was chosen in order to optimize the carbon dioxide methanization process, since this technology is already used for water separation from gaseous mixture and this reaction carries with it the by-production of water. Therefore both material design and process optimization have been addressed in the present work in order to maximize the catalytic performances and decrease as much as possible Platinum Group Metals that nowadays represent critical raw materials, both in terms of supply and recycling potentialities.

Nella presente tesi vari ossidi metallici sono stati utilizzati per affrontare il problema dell'inquinamento atmosferico con lo scopo finale di mitigare il cambiamento climatico. L'obiettivo è stato l'abbattimento di CO, NO ed altri inquinanti derivanti da fonti quali i motori di autoveicoli e dell'anidride carbonica. In questo ultimo caso la prospettiva è stata quella di valorizzare l'anidride carbonica per ottenere un combustibile, il metano, con alta selettività ed alte rese. In questo modo i vantaggi sono molteplici: in primo luogo questo rende possibile la diminuzione della concentrazione nell'atmosfera di anidride carbonica e permette inoltre la produzione di un combustibile già largamente utilizzato, chiudendo dunque il ciclo del carbonio da cui è risultata l'emissione di anidride carbonica in atmosfera. Una estensiva caratterizzazione dei materiali sviluppati ha permesso di correlare tali risultati con le performance catalitiche dei materiali stessi, chiarendo i meccanismi coinvolti in tali reazioni e contribuendo al miglioramento delle attività catalitiche stesse. Parallelamente ad approcci prettamente convenzionali alle tecniche di catalisi eterogenea, una procedura innovativa è stata sviluppata per incorporare il nickel (il catalizzatore attivo in questo caso) in un supporto inconsueto, una membrana al carbonio molecular sieve. Questo particolare supporto è stato scelto per ottimizzare il processo di metanizzazione dell'anidride carbonica, dal momento che questa tecnologia è già in uso per la separazione di acqua da miscele gassose e la reazione in esame porta con sé inevitabilmente la formazione di acqua. Per questi motivi sia il design del materiale che l'ottimizzazione del processo sono stati trattati nel presente lavoro di tesi, per massimizzare le performance catalitiche e diminuire quanto possibile l'uso di metalli del gruppo del platino, che rappresentano oggi materie prime dall'approvvigionamento critico e dalle difficili possibilità di recupero.