Catalizzatori nanostrutturati avanzati per la produzione di idrogeno da biomassa e integrazione in processi di bioraffineria.

Responsabili di progetto

Vladimiro Dalsanto, Tanya Stoyanova Hristova

Accordo

BULGARIA - BAS - Bulgarian Academy of Sciences

Bando

CNR/BAS 2013-2015

Dipartimento

Progettazione Molecolare

Area tematica

Scienze chimiche e tecnologie dei materiali

Stato del progetto

Rinnovo

Relazione per il rinnovo

joint-report-cnr-bas-project-dal-santo-tsoncheva.pdf

Proposta di ricerca

Negli ultimi anni, l’utilizzo delle biomasse come fonte sostenibile e rinnovabile di bio-combustibili è oggetto di forte interesse. In alternativa ai biocarburanti di prima generazione, ottenuti a partire da materie prime generalmente appartenenti alla filiera alimentare e derivanti dall’agricoltura tradizionale, ora la sfida principale è quello di ampliare il campo delle fonti, con l'utilizzo di cellulosa e altri materiali di scarto.
Il passaggio da un'economia basata sulle attuali raffinerie di petrolio a nuove, sostenibili bio-raffinerie basate sulle biomasse richiede un grande sforzo e fino ad oggi mancano delle tecnologia industriali efficaci. In questo contesto la produzione integrata di idrogeno è un altro aspetto che merita considerazione. Infatti l’idrogeno è, allo stesso tempo, un vettore energetico ecologico che può essere proficuamente utilizzato nel settore automobilistico, ma anche come un importante intermedio largamente impiegato in molti processi industriali.
Negli ultimi due decenni, il metanolo ha ricevuto attenzione come uno dei possibili “vettori” idrogeno, in quanto potrebbe essere prodotto con tecnologie note da fonti disponibili e rinnovabili e ri-convertito facilmente a idrogeno o gas di sintesi con diversi processi catalitici, quali la decomposizione, lo steam reforming o mediante ossidazione parziale. Il metanolo ha quindi buone opportunità per essere usato come una fonte efficiente di di idrogeno o gas di sintesi per alimentare celle a combustibile con potenziali applicazioni per veicoli o industriali. Sono stati costruiti diversi impianti per la produzione di bio-metanolo da bio-massa (Giappone), black-liquor (Svezia), glicerolo da produzione di biodiesel (Olanda) o anidride carbonica (Islanda, Canada). L'acido acetico a sua volta èinvece uno dei componenti principali della frazione acquosa dei bio-oli derivanti dalla pirolisi di biomassa, e anche un ottimo composto modello dei sottoprodotti acidi derivanti da diversi processi di bioraffineria. Inoltre, anche l’acido acetico può essere convertito convenientemente convertito in idrogeno tramite processi di steam reforming.
Al fine di permettere l'applicabilità di questi processi catalitici in campo industriale è necessario lo sviluppo di catalizzatori con elevata selettività ed attività, anche a temperature relativamente basse per evitare reazioni parassite e minimizzare il consumo di energia.
Tra i vari catalizzatori per la deidrogenazione di alcol, quelli a base di metalli di transizione sono più frequentemente studiati per il loro basso prezzo e per la possibilità di utilizzare carichi metallici elevati. Lo sviluppo di sistemi nanostrutturati è una efficace soluzione per aumentare l'attività catalitica di questi materiali. Sono stati sviluppati vari metodi per la preparazione e la stabilizzazione delle particelle metalliche altamente disperse e la loro deposizione su opportuni supporti è uno dei metodi più utilizzati. Materiali porosi quali silice e carbonio sono stati riportati come supporti tra i più promettenti per la preparazione e la stabilizzazione delle nanoparticelle metalliche a causa della loro elevata superficie specifica e della loro struttura porosa facilmente modificabile. Recentemente, la famiglia di questo tipo di supporti è stata ampliata con la preparazione di ossidi metallici con elevata area superficiale stabile anche a temperature elevate. La loro applicazione come supporto di nanoparticelle metallo / ossido metallico rivela un potenziale illimitato per la preparazione di nanocompositi multicomponente con proprietà catalitiche modulabili.
Il metodo di deposizione delle nanoparticelle metallo/ossido metallico sui supporti è di particolare importanza per il controllo della loro dimensione, del loro stato di ossidazione e della loro disposizione. È stato accertato che, nel caso di supporti porosi la posizione di nanoparticelle nei mesopori è di primaria importanza per la loro stabilizzazione durante il processo catalitico, infatti in un precedente lavoro è stato dimostrato che l'interazione specifica delle nanoparticelle con il supporto e la loro posizione e disponibilità per le molecole reagenti possono modificare sensibilmente il comportamento catalitico dei materiali ottenuti. Il problema si complica ulteriormente se sono supportati simultaneamente due componenti metallici.

Obiettivi della ricerca

1. Preparazione di catalizzatori multicomponente ad alta efficienza a base di supporti di ossidi metallici ad alta area superficiale (MnOx, ZrO2, CeO2, La2O3, Al2O3) caricati con particelle nanocomposite di Cu, Co, Ni, Fe e Cr metallo/ossido di dimensioni nanometriche.
2. Caratterizzazione completa strutturale e morfologica dei materiali preparati al punto 1 (supporti, sistemi metallo/ossido supportati mono e bi-componente)
3.Applicazione dei materiali nelle reazioni di
3a. Decomposizione di bio-metanolo a idrogeno / gas di sintesi;
3b. Steam reforming di molecole ossigenate / sottoprodotti acidi (acido acetico come composto modello di olio di pirolisi e residui acidi di fermentazione) a idrogeno;
3c. Reazioni di trasferimento di idrogeno tra le molecole piattaforma da bio-raffineria: acido formico, bio-butanolo come donatori e acido levulinico, furfurolo come accettori.
4. Ottimizzazione dei sistemi mono e bi-componenti.

Ultimo aggiornamento: 23/04/2024