Chimica | Biochimica | Medicina

Dalia Badaracco, 2002 | Ponte Capriasca, TI
Michela Lepori, 2002 | Lugaggia, TI

 

L’eccesso di CO2 nell’atmosfera è un problema globale dei nostri tempi. Per ridurlo si stanno sviluppando nuove tecnologie che trasformano questo gas serra in combustibili rinnovabili come il metanolo. Questi processi necessitano di un catalizzatore specifico; quelli studiati fino ad oggi non soddisfano tutte le esigenze per ottenere una resa e una sostenibilità alte a costi abbordabili. Con questo progetto abbiamo preparato dei catalizzatori innovativi che cercano di raggiungere queste caratteristiche, scegliendo come catalizzatore di base Cu/Zn (2:1) e come supporto diversi tipi di nanostrutture (magnetite, silice e zinco). L’obiettivo è di comprendere se questa soluzione rappresenta la migliore opzione in base al rapporto tra resa totale, sostenibilità dei materiali, facilità di sintesi e costi di produzione nella sintesi di metanolo attraverso l’idrogenazione di CO2. Abbiamo sintetizzato quattro diversi catalizzatori. La caratterizzazione conferma che quelli supportati da nanoparticelle di silice (NPS) e da nanodots di Zn (ND) sono buoni candidati per svolgere la reazione di idrogenazione di CO2 a metanolo. La reazione completa di sintesi di metanolo ha confermato l’attività catalitica almeno su NPS, aprendo buone prospettive per ulteriori sviluppi della nostra ricerca.

Argomento

Il progetto tratta la sintesi di metanolo attraverso l’idrogenazione di CO2 presente nell’atmosfera. Questa reazione necessita un catalizzatore organometallico composto da materiali affini ai reagenti: H2 e CO2. Nel nostro caso esso è composto da Cu e Zn, secondo il modello Cu/ZnO/Al2O3, che è il più utilizzato nell’industria. Il nostro obiettivo è di produrre un catalizzatore innovativo che abbia un’alta attività catalitica alle condizioni favorevoli della sintesi di metanolo e che sia facile ed economico da produrre. L’idrofilia dell’allumina consuma il catalizzatore a contatto con l’acqua (scarto principale della reazione). Per questo motivo abbiamo sostituito Al2O3 con nanoparticelle. Esse presentano interessanti vantaggi come supporto del catalizzatore, dato che sono programmabili in composizione e caratteristiche, sono resistenti e dispongono di una superficie estesa.

Metodologia

Nei catalizzatori, Cu e Zn compongono il sito attivo e sono presenti in rapporto molare 2:1. Complessivamente abbiamo sviluppato due catalizzatori supportati da nanoparticelle di magnetite (NPM) ricoperte da silicati e co-precipitate con Cu/Zn (NPM), uno da quelle di silice (NPS) co-precipitate con Cu/Zn e un altro da Cu e Zn co-precipitati insieme per formare dei nanodots (ND). Tutti i prodotti sono stati preparati da un’iniziale sintesi di nanoparticelle e da una seguente co-precipitazione di Cu e di Zn. Tra i passaggi sono state effettuate filtrazioni, lavaggi, essicazioni e calcinazioni per purificare i composti. Successivamente sono state svolte caratterizzazioni ICP, BET e SEM su tutti i catalizzatori presso l’Università di Friburgo. Infine, solo i catalizzatori a base di NPS e di ND di Zn sono stati testati per la sintesi di metanolo in un reattore apposito, presso Casale SA.

Risultati

I risultati delle caratterizzazioni BET hanno stabilito che il catalizzatore con NPS ha un’area superficiale di 114.1624 ± 1.7353 m2/g e quello con ND di 27.3309 ± 0.3226 m2/g. Quest’ultimo corrisponde ai valori di superficie di Cu/ZnO/Al2O3. Quelli a base di NPM invece presentano valori più bassi (tra i 14 e i 18 m2/g) . Il risultato dell’analisi ICP afferma che il rapporto Cu/Zn sul catalizzatore a base di NPS è risultato essere 6:1, mentre su quello a base di ND è 1:5. Questo ci fa capire che Zn è co-precipitato in maggiore quantità rispetto a quelle calcolate. Test svolti presso Casale SA hanno rivelato che il catalizzatore NPS funziona con un’efficacia media stimabile al 6% (max 16%, st.dev 3%).

Discussione

Abbiamo potuto riscontrare che la sintesi dei catalizzatori ha verificato in parte le nostre aspettative e le nostre ipotesi iniziali. Le caratterizzazioni svolte dimostrano che alcune delle sintesi effettuate, in particolare NPS e ND, hanno dato i risultati sperati, almeno in termini di porosità e composizione. I test sulla produzione di metanolo hanno infine confermato l’attività catalitica di NPS.

Conclusioni

Il nostro approccio è risultato moderatamente promettente rispetto all’obiettivo che ci eravamo prefissate. Abbiamo scoperto che alcuni aspetti della preparazione dei catalizzatori sono senz’altro migliorabili in termini di sintesi e purificazione. Questo apre orizzonti interessanti in vista di ulteriori affinamenti del metodo, al fine di migliorare la resa della sintesi.

 

 

Valutazione del lavoro espressa dall’esperto

Prof. Dr. Marco Lattuada

The two students have attempted to design new catalysts used to remove CO2 from atmosphere and convert it into methanol. Methanol is a highly useful chemical, and a precursor of many important syntheses. The two students tried to propose their own original synthesis of new catalysts, different from those proposed in the literature, based on rational principles, as real scientists do. They managed to prepare them and to characterize them. While the analysis indicate that the some of the synthesis performed were successful, proof of their catalytic activity is still missing at the moment.

Menzione:

molto buono

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Liceo di Lugano 2, Lugano-Savosa
Docente: Dr. Gianmarco Zenoni