Sviluppi di catalizzatori per l'abbattimento di NOx in presenza di ossigeno

Il traffico veicolare è la principale fonte antropogenica di NOx, idrocarburi (HC) e CO e, dato che la sostituzione dei motori a combustione interna con sistemi alternativi appare ancora lontana nel tempo, lo sviluppo di sistemi in grado di limitare al massimo le emissioni di questi mezzi di trasporto riveste un’importanza fondamentale. Sfortunatamente non esiste un rapporto ottimale aria/combustibile che permetta di avere basse emissioni, mentre la massima potenza ottenibile dal motore corrisponde alle condizioni di elevata formazione di CO e HC. Gli attuali sistemi di abbattimento permettono il controllo delle emissioni da sorgenti mobili tramite una centralina che collega il sistema di iniezione del motore e la concentrazione di ossigeno del sistema catalitico (posto nella marmitta) in modo da controllare il rapporto aria/combustibile (Fig. 1). Le marmitte catalitiche per motori a benzina utilizzano catalizzatori “three way” a base di Pt/Rh supportati su ossidi (allumina, zirconia e ceria), che, dovendo operare con un rapporto quasi stechiometrico combustibile/comburente, comportano una minore efficienza del motore e consumi maggiori del 20-30% rispetto alla combustione in eccesso di ossigeno. Inoltre, questa tecnologia non può essere utilizzata nei motori diesel, che lavorano in eccesso di ossigeno ed utilizzano carburanti con un tenore di zolfo relativamente elevato. In questi ultimi anni è cresciuto l’interesse per il controllo delle emissioni di NOx da fonti veicolari, con particolare attenzione alla riduzione catalitica in presenza di un eccesso di ossigeno, cioè in condizioni di combustione magra. Uno sviluppo recente è rappresentato dai catalizzatori tipo “Toyota” che sono basati sul concetto di accumulo e riduzione (storage/reduction), nei quali l’NO viene ossidato ed accumulato sul catalizzatore come nitrato in condizioni di eccesso di ossigeno. Modificando poi per brevi periodi di tempo le condizioni di alimentazione da ossidanti (aria/combustibile > 14,7 p/p) a riducenti (aria/combustibile < 14,7 p/p) il nitrato immagazzinato viene ridotto a N2 e H2O. Questi catalizzatori sono però molto sensibili alla presenza di zolfo e non possono essere utilizzati con i carburanti diesel attualmente in commercio. Obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di ottimizzare e migliorare la comprensione del meccanismo di reazione dei catalizzatori “storage-reduction” per l’abbattimento degli NOx nelle emissioni di autoveicoli in presenza di un eccesso di ossigeno. In particolare lo studio è stato focalizzato dapprima sulle proprietà del Pt, fase attiva nei processi di storage-reduction, in funzione del tipo di precursore e sulle proprietà e composizione della fase di accumulo (Ba, Mg ed una loro miscela equimolare) e del supporto (γ-Al2O3 o Mg(Al)O). Lo studio è stato inizialmente focalizzato sulle proprietà dei precursori del Pt, fase attiva nei processi di storage-reduction, sulla composizione della fase di accumulo (Ba, Mg ed una loro miscela equimolare) e del supporto (γ-Al2O3 o Mg(Al)O). E’ stata effettuata una dettagliata caratterizzazione chimico-fisica dei materiali preparati tramite analisi a raggi X (XRD), area superficiale, porosimetria, analisi di dispersione metallica, analisi in riduzione e/o ossidazione in programmata di temperatura (TPR-O), che ha permesso una migliore comprensione delle proprietà dei catalizzatori. Vista la complessità delle miscele gassose reali, sono state utilizzate, nelle prove catalitiche di laboratorio, alcune miscele più semplici, che tuttavia potessero rappresentare in maniera significativa le condizioni reali di esercizio. Il comportamento dei catalizzatori è stato studiato utilizzando differenti miscele sintetiche, con composizioni che permettessero di comprendere meglio il meccanismo. L’intervallo di temperatura in cui si è operato è compreso tra 200-450°C. Al fine di migliorare i catalizzatori, per aumentarne la resistenza alla disattivazione da zolfo, sono state effettuate prove alimentando in continuo SO2 per verificare la resistenza alla disattivazione in funzione della composizione del catalizzatore. I principali risultati conseguiti possono essere così riassunti: A. Caratteristiche Fisiche. Dall’analisi XRD si osserva che l’impregnazione con Pt(NH3)2(NO2)2 o con la sospensione nanoparticellare in DEG, non modifica le proprietà chimico-fisiche del supporto, con l’eccezione del campione con sospensione nanoparticellare impregnata su ossido misto per il quale si è osservata sia la segregazione del Pt, sia la presenza di composti carboniosi sulla superficie. Viceversa l’impregnazione con Ba porta ad una significativa diminuzione dell’area superficiale e della porosità. B. Caratteristiche Chimiche. L’analisi di dispersione metallica, tramite il chemiassorbimento di H2, mostra per i catalizzatori impregnati con Pt nanoparticellare, una bassa dispersione metallica e di conseguenza elevate dimensioni delle particelle di Pt. I campioni impregnati con Pt(NH3)2(NO2)2 presentano una migliore dispersione. Infine dalle analisi TPR-O si è osservato che: Maggiore è la dispersione del metallo nobile maggiore è la sua interazione con il supporto, L’aumento della temperatura di riduzione del PtOx è proporzionale alla quantità dei metalli alcalino terrosi, C. Precursore Metallo Nobile. Nelle prove di attività catalitica, con cicli ossidanti e riducenti continui in presenza ed in assenza di CO2, i catalizzatori con Pt nanoparticellare mostrano una minore attività catalitica, specie in presenza di un competitore come la CO2. Al contrario i catalizzatori ottenuti per impregnazione con la soluzione acquosa di Pt(NH3)2(NO2)2 presentano un’ottima attività catalitica, stabile nel tempo, e sono meno influenzabili dalla presenza di CO2. D. Resistenza all’avvelenamento da SO2. Il catalizzatore di riferimento, 17Ba1Pt/γAl2O3, mostra un effetto di avvelenamento con formazione di solfati più stabili che sul sistema Ba-Mg; difatti il campione non recupera i valori iniziali di attività se non dopo molti cicli di rigenerazione e temperature superiori ai 300°C. Per questi catalizzatori l’avvelenamento da SO2 sembra essere di tipo reversibile, anche se a temperature e condizioni più favorevoli per il 1.5Mg8.5Ba-1Pt/γAl2O3. E. Capacità di Accumulo e Rigenerabilità. Tramite questo tipo di prova è stato possibile ipotizzare e verificare il meccanismo della riduzione. I catalizzatori ottenuti per impregnazione con la soluzione acquosa di Pt(NH3)2(NO2)2 hanno mostrato un’elevata capacità di accumulo. Questa è maggiore per il campione bimetallico (Ba-Mg) a T < 300°C, mentre per il riferimento è maggiore per T > 300°C. Per ambedue i catalizzatori è evidente la formazione di ammoniaca, che potrebbe essere utilizzata come un indice che la riduzione dei nitrati accumulati è arrivata al termine e che il tempo ottimale per la riduzione è stato raggiunto o superato. Per evitare la formazione di NH3, sul catalizzatore di riferimento, è stata variata la concentrazione del riducente e la temperatura in modo da permettere alle specie adsorbite sulla superficie e nel bulk di poter raggiungere il Pt prima che l’ambiente diventi troppo riducente e quindi meno selettivo. La presenza di CO2 riduce fortemente la formazione di NH3; probabilmente perché la CO2, occupando i siti degli elementi alcalino-terrosi lontani dal Pt, impedisce ai nitriti/nitrati o all’H2 attivato di percorrere “elevate” distanze prima di reagire, aumentando così le possibilità di una riduzione più breve e più selettiva. F. Tempo di Riduzione. Si è migliorata la comprensione del ruolo svolto dalla concentrazione dell’agente riducente e dell’effetto della durata della fase riducente. Una durata troppo breve porta, nel lungo periodo, alla saturazione dei siti attivi, un eccesso alla formazione di NH3 Attraverso queste ultime prove è stato possibile formulare un meccanismo di reazione, in particolare della fase riducente. G. Meccanismo di Riduzione. La mobilità dei reagenti, nitriti/nitrati o H2 attivato è un elemento fondamentale nel meccanismo della riduzione. La vicinanza tra i siti di accumulo e quelli redox è determinante per il tipo di prodotti che si possono ottenere. La diminuzione della concentrazione del riducente o l’aumento della temperatura concede maggiore tempo o energia alle specie adsorbite sulla superficie o nel bulk per migrare e reagire prima che l’ambiente diventi troppo riducente e quindi meno selettivo.

Newly developed electrosynthesis of Layered Double Hydroxides: application to sensing, energy storage and conversion

Layered Double hydroxides (LDHs) have been widely studied for their plethora of fascinating features and applications. The potentiostatic electrodeposition of LDHs has been extensively applied in the literature as a fast and direct method to substitute classical chemical routes. However, it does not usually allow for a fine control of the M(II)/M(III) ratio in the synthesized material and it is not suitable for large anions intercalation. Therefore, in this work a novel protocol has been proposed with the aim to overcome all these constraints using a method based on potentiodynamic synthesis. LDHs of controlled composition were prepared using different molar ratios of the trivalent to bivalent cations in the electrolytic solution ranging from 1:1 to 1:4. Moreover, we were able to produce electrochemically LDHs intercalated with carbon nanomaterials for the first time. A one-step procedure which contemporaneously allows for the Ni/Al-LDH synthesis, the reduction of graphene oxide (GO) and its intercalation inside the structure has been developed. The synthesised materials have been applied in several fields of interest. First of all, LDHs with a ratio 3:1 were exploited, and displayed good performances as catalysts for 5-(hydroxymethyl)furfural electro-oxidation, thus suggesting to carry out further investigation for applications in the field of industrial catalysis. The same materials, but with different metals ratios, were tested as catalysts for Oxygen Evolution Reaction, obtaining results comparable to LDHs synthesised by the classical co-precipitation method and also a better activity with respect to LDHs obtained by the potentiostatic approach. The composite material based on LDH and reduced graphene oxide was employed to fabricate a cathode of a hybrid supercapacitor coupled with an activated carbon anode. We can thus conclude that, to date, the potentiodynamic method has the greatest potential for the rapid synthesis of reproducible films of Co and Ni-based LDHs with controlled composition.

Modeling of Electric Hybrid Vehicles based on Innovative Energy Storage Technologies for Super Sports Cars Applications

Today, the contribution of the transportation sector on greenhouse gases is evident. The fast consumption of fossil fuels and its impact on the environment has given a strong impetus to the development of vehicles with better fuel economy. Hybrid electric vehicles fit into this context with different targets, starting from the reduction of emissions and fuel consumption, but also for performance and comfort enhancement. Vehicles exist with various missions; super sport cars usually aim to reach peak performance and to guarantee a great driving experience to the driver, but great attention must also be paid to fuel consumption. According to the vehicle mission, hybrid vehicles can differ in the powertrain configuration and the choice of the energy storage system. Lamborghini has recently invested in the development of hybrid super sport cars, due to performance and comfort reasons, with the possibility to reduce fuel consumption. This research activity has been conducted as a joint collaboration between the University of Bologna and the sportscar manufacturer, to analyze the impact of innovative energy storage solutions on the hybrid vehicle performance. Capacitors have been studied and modeled to analyze the pros and cons of such solution with respect to batteries. To this aim, a full simulation environment has been developed and validated to provide a concept design tool capable of precise results and able to foresee the longitudinal performance on regulated emission cycles and real driving conditions, with a focus on fuel consumption. In addition, the target of the research activity is to deepen the study of hybrid electric super sports cars in the concept development phase, focusing on defining the control strategies and the energy storage system’s technology that best suits the needs of the vehicles. This dissertation covers the key steps that have been carried out in the research project.

Strategies for lowering the environmental impact of different electrochemical energy storage system

The continuous growth of global population brings an exponential increase on energy consumption and greenhouse gas emission in the atmosphere contributing to the increase of the planet temperature. Therefore, it is mandatory to adopt renewable energy production systems like photovoltaic or wind power: unfortunately, the main limit of these technologies is the natural intermittence of the energy sources that limits their applicability. The key enabling technology for a widespread usage of clean power sources are electrochemical energy storage systems, most commonly known as batteries. Batteries will enable the storage of energy during overproduction period and the release during low production period stabilizing the power outcome, allowing the connection to the main grid and increasing the applicability of renewable energy sources. Despite the high number of benefits that the widespread use of batteries will bring, starting from the reduction of CO2 emitted in the atmosphere, it is necessary also to take care of the environmental impact of processes and materials used for the production of electrochemical storage systems. In addition, there are many different battery systems, with different chemistries and designs that require specific strategies. Nowadays, the most part of the materials and chemicals used for battery production are toxic for humans and the environment. For this reason, this Ph.D. thesis addresses the challenging scope of lowering the environmental impact of manufacturing processes of different electrochemical energy storage systems using natural derived or low carbon footprint materials while increasing the performances with respect to commercial devices. The activities carried out during my Ph.D. cover a high number of different electrochemical storage systems involving a wide range of electrochemical processes from capacitive to faradic. New materials, different production processes and new battery design, all in view of sustainability and low environmental impact, increased the innovative and challenging aspects of this work.