Produzione di metanolo da CO2 Studentessa: Sara Bucci Matricola: 1664047 Anno accademico 2019 / 2020 CO2 Emissioni mondiali di CO2 per regione Emissioni mondiali di CO2 per settore CH3OH Produzione di metanolo da CO2 Sara Bucci 19/07/20 Pagina 2 Il metanolo • Materiali da costruzione Prodotto da metano e syngas, ma • Schiume anche mediante nuove vie • Resine pienamente compatibili con • Plastiche • Prodotti farmaceutici • Sintesi della formaldeide e l’ambiente dell’acido acetico • Combustibile pulito Richiesta di metanolo per regione Produzione di metanolo da CO2 Sara Bucci 19/07/20 Pagina 3 mole di monossido di carbonio, mentre la sinte moli di idrogeno per ogni mole di monossido di Da Wikipedia, l'enciclopedia libera. l'eccesso di idrogeno è CO quello di iniettare ani Idrogenazione catalitica della 2 dove, La metanazione è un processo fisico-chimico reattore di sintesi del metanolo, avviene an miscela gas ricavati da una fermenta In di thevari presence of a suitable catalyst, th • Reazione di idrogenazione della CO2 a gassificazione termochimica.[1] I componenti p equation: metanolo carbonio e l'idrogeno. I principali catalizzatori [2] Anche se cobalto, il gas naturale materia prima piùp rutenio, nichel eè la ferro. Il seguente + H2O (deltaH = +9 k • Reverse water gas shift 2 + H2 →diCO per la CO produzione metanolo, altre materie metanazione: carbone è sempre più utilizzato come materi The in reactor itself isinvery similar to aanch Sa metanolo, particolare Cina. Inoltre, • Reazione di metanazione catalyst. According to experiments don disponibili legate alle biomasse rendono possibi QuestoColorado, processo the si usa per la generazione di best catalyst at low tempe Enzymatic essere introdotto nella rete del gas. Usi La metanazione è la reazione inversa del reform CATALIZZATORI con alta metano in gas di sintesi. selettività nei confronti del Trova largo utilizzo come: Process Figure 2. Green methanol production by Carbon Recycling International [18]. metanolo e che siano il grado si adsorbire e attivare la CO2, ma di non rompere i legami C-O nella molecola Note solvente (ad esempio per la diluizione di ver mobili); 1. ^ V. Ponec, Some Aspects of the Mechanism reagente in processi chimici industriali; Tropsch Synthesis, in Catalysis Reviews: Sci combustibile per motori (ad es. viene usato n n. 1, 1978, pp. 151–171, DOI:10.1080/03602 gare di formula IndyCar; nei micromotori per 7 agosto 2012. RCW. auto e navale), miscela Pagina 4 2. (aeromodellismo, ^ G.19/07/20 Alex Mills, Fred Steffgen, Catalytic M (in percentuali 5%-20%), oppure a su base Reviews: Science and Engineering, vol. 8, n.s 2%-10%), eventualmente anche con una pic Produzione di metanolo daFigure CO23. Outline of chemical conversion processes of CO . 2 Sara Bucci et al. [34] reported an example of direct CO2 conversion to methanol using homogeneou catalysts. They studied the ability of Ru3(CO)12 catalyst precursor in the presence of KI add tive for the CO2 hydrogenation to form methane, methanol, and CO. Also, it was proved b the same authors that the performance of Ru3(CO)12 –KI for CO2 conversion is much bett than the other transition metal carbonyl catalysts such as W(CO)6,, Fe2 (CO)9 , Ir4(CO)12 , M (CO)6, Co2 (CO)8 , and Rh4(CO)12 [35]. Recently, cascade process has been used to reduce CO2 Catalisi eterogenea CATALIZZATORE: Cu supportato su un substrato, ZrO2 o Al2O3, con ZnO come promotore per favorire la dispersione e stabilizzazione del Cu e facilitare 4 l’adsorbimento della CO2 e la sua interazione con il Cu 2 4 Cu/ZnO(0001), RWGS Cu(111), RWGS Figure 5. Heterogeneous catalytic process for conversion of CO 0 2 2 to methanol using Cu/ZrO2 and Cu-ZnO/ZrO2 [33]. -2 Effetto di -2 15cm s-1)} Ln{rate/(1015 molecules Ln{rate/(10 molecules cm s-1)} Cu/ZnO(0001), RWGS ZnO sull’attività del catalizzatore -2 0 Cu/ZnO(0001), CH3OH -4 -2 Cu(111), CH OH Cu/ZnO(0001), 3CH3OH -6 -4 1.65 1.70 1.75 Produzione di metanolo da CO2 Sara Bucci 1.80 1.85 1.90 1.95 Cu al secondo con Cu a 575K TOF= 9.3x10-2 molecole per sito di Cu al secondo con Cu-ZnO a 575 K 2.00 Fig 1 1000 K/T Cu(111), CH3OH -6 1.65 TOF= 6.3 x 10-3 molecole per sito di Cu(111), RWGS 1.70 1.75 1.80 1.85 1000 K/T 1.90 1.95 19/07/20 2.00 Fig 1 Pagina 5 hesis replants. ICI) or In this reactor ethanol simpliethanol Fig. 1. r with a hell and alyst is ed in a g water eat and m. The dium in ing the Catalisi eterogenea L. Chen et al. REATTORE LURGI Feed Synthesis Gas REATTORE tubolare quasi isotermo con By-porduct Steam camicia di raffreddamento Steam CATALIZZATORE Cu e ZnO inserito nei Liquid Level Water makeup tubi verticali del reattore Coolant Water CONDIZIONI OPERATIVE: 50-100 bar, 230-265 °C Outlet Stream Steam Drum Methanol Synthesis Reactor Figure 1. Flow sheet of Lurgi synthesis reactor. SISTEMA A DUE and Simulation • Maggiore STADI! " 1 PH2 O PCH3 OH k1 PCO2 PH2 1 " # $ 3 P Ke!1 PH CO2 mol 2 r2 ! # $ produttività PH2 O 3 s kgcat 0"5 # K P # K 1 # K1 PH 2 H2 O 3 2 P (4) H2 is has been a commercial pro• Velocità spaziale nel primo reattore più elevata echanism and kinetics are still ever, the prevailing view is that ! " • 2 hydrogenation Temperatura nel primo reattore y through CO PCO alta 1 PH2 Opiù k2 PCO2 1 " # $ ressure methanol synthesis has Ke!2 PH2 PCO2 mol # $ (5) r3 ! authors [22–29]. PH 2 O s kgcat 0"5 # K P kinetic rate equations for the # K 1 # K1 PH 2 3 H2 O Produzione di metanolo2 da CO 19/07/20 PH2 2 iterature, this research uses the Bussche and Froment [19]. The with k1 = 1.07 exp(36 696 kJ kmol–1/RT), reaction rate consts used in the plant and inSara the Bucci stant; k2 = 1.22 exp(–94 765 kJ kmol–1/RT), reaction rate con- Primo reattore più piccolo Vapore ad alta pressione Pagina 6 1.1 Hydrogenation of gaseous CO2. The first example of CO2 hydrogenation to methanol th CO, CH4 and small amount of ethane as indicated in Eq. (4.9) has been reported in Sasaki et al. [64], using the homogeneous Ru3(CO)12-KI system. Subsequent investigaealed that Ru3(CO)12 in combination with halide as an additive exhibited better perforRu ha elevata attività verso mpared with the carbonyl complexes of Ir, Rh, Wo, Mo, Fe, and Co [64,67]. Catalisi omogenea l’idrogenazione della CO2 a metanolo CO2 1 H2 Ru3 ðCOÞ12 2KI ð2 mmolÞ !!!!!!!!!!!!!!!!!! !! ! MeoH 1 CO 1 CH4 1C2 H6 KI ha il ruolo di stabilizzare il complesso CO2 =H2 51:3; Ptotal58 MPa (4.9) NMP; 240$ C; 3 h 18:9 6:5 4:7 0:1 mmoldel Ru e mantenere il sistema omogeneo NMP 5 N-methyl-2-pyrrolidone Homogeneous s reaction, CO2 is presumed to be hydrogenated to catalysis form initially CO. Methanol is preCH3OH + H2O 3H2 + CO2 be generated via further reduction of CO by H2 in addition to the formation of CH4 extended hydrogenation. Obviously, iodide plays a role in forming the ionic Ru species PMe3 cat.maintaining A (i) H2 cat.system, C (iii) 2 Hpromoting abilizing the resultant Ru complex by a homogeneous thus 2, –ROH N PMe 3 Me3P Ru OAc Me3P CI (A-1) H OH PtBu2 Ru CO N cat. B O H O (C-1) (ii) ROH, –H2O H OH i) CO2 viene idrogenata ad acido formico ii) l'acido formico viene esterificato iii) l'estere viene idrogenato a metanolo Produzione di metanolo da CO2 Sara Bucci 19/07/20 Pagina 7 review articles on CO2 electrochemical reduction where the state of the art is presented with different perspectives,4, 15-32 as listed in Supplementary information (Appendix I). Nowadays, CO2 capture, conversion, and utilization is still recognized as a feasible and promising cutting-edge area of exploration in energy and environmental research, but a deep understating, not only of the CO2 reduction mechanisms, but also of economic viability and life cycle assessment, is still required, although some efforts have already been done.8,33-35 Recently, Dominguez-Ramos et al. evaluated the environmental sustainability of the CO2 electroreduction process, focusing on resources and greenhouse gas emissions. They concluded that the integration of renewable energy and the reduction in the tecnologia innovativa che utilizza consumption of chemicals in the electrolysis, might lead this technology to be a potential for an environmentally energia per stabilire unacandidate differenza di sustainable CO2 utilization.34 The directtra electrochemical reduction of CO2 results in a variety potenziale due elettrodi of products, which depend mainly on catalyst materials and the reaction medium. Electrochemical reduction of CO2 can mainly permettendo alla CO2 disix,essere proceed through two, four, and eight-electron reduction pathways in gaseous, aqueous, and non-aqueous phases at trasformata con moderate condizioni different cell and electrode configurations. The major reduction products are carbon monoxide (CO), formic acid (HCOOH) or operative formate (HCOO-) in basic solution, formaldehyde (CH2O), methanol (CH3OH), oxalic acid (H2C2O4) or oxalate (C2O42-) in basic solution, methane (CH4), ethylene (CH2CH2) or ethanol (CH3CH2OH).32 Among the various chemicals, the challenges for converting CO2 into CH3OH are great, but the potential rewards are also enormous. fuels as a form of energy vector, transportation fuel and raw material for synthetic hydrocarbons and their products, was firstly proposed by the Nobel Laureate Olah and widely discussed afterwards by his collaborators.10,38,39 In these publications, they summarized the state of our current energy sources, their availability and limitations before suggesting a new approach in the so-called methanol economy. In this economy, energy can be stored in the form of CH3OH and the CO2 is recycled avoiding additional emissions, as represented in Figure 1. Elettrocatalisi Page 3 of 27 Journal Name 2. Summary of studies n Chemistry Accepted Manuscript RIDUZIONE ELETROCATALITICA + FONTE DI ENERGIA RINNOVABILE The overall reaction of CH3OH formation is a combin reduction and oxidation reaction at the cathode and an system, respectively, as presented in Table 1. Figure 1. The methanol-based economy cycle model. Table 1. Electrochemical reaction for CO2 convers A close study of the existing information on this subject reveals CH under standard conditions. that the successful development of an3OH artificial photosynthesis Energia fornita al sistema viene consumata da: is no longer an unrealistic dream. The literature reported so far 1.1. Potentialities for the electrochemical reduction of CO2 Electrochemical reaction the conversion of CO2 into CH3OH following thermochemical, to CH3OH • Reazione di riduzione della CO2 + electrochemical, photoelectrochemical, and+ 6e photocatalytic Cathode CO2 + 6H ! CH3OH + H2O -0.2 Methanol is a green fuel with almost half of the energy density reactions performed over both inorganic as well as organic + -1 of the mostly used fuel,produzione gasoline (methanol: 15.6 MJ·L ;attraverso il • Hydrogen Evolution Reaction, di idrogeno Anode and heterogeneous) 3H2O ! 1.5Ocatalytic 0.9 2 + 6H + 6e molecular (homogeneous gasoline: 34.2 MJ·L-1),36 but also a vital intermediate for 32 systems. Nevertheless, none of the articles exclusively Overall: COreview CH3OH + 1.5O2 2 + 2H 2O ! several bulkin chemicals processo di elettrolisi acquaused in day-to-day life products such as deals with the literature on the electrochemical conversion of silicone, paint, and plastics. Compared to hydrogen, CH3OH CO2 into CH3OH, taking into consideration the effect of the possesses a higher energy density, it can be stored at Thermodynamically, is feasible to electrochemical applied catalytic material, electrolyte and it configuration of the atmospheric pressure, and it can be utilized directly in energy electrochemicalCO cell. 2 to CH3OH; however, the reduction potential o converting systems like internal combustion engines, due to its To fill this gap, this review article presents and discusses the high octane rating, or directly in fuel cells in Direct Methanol dioxide is only 20 mV positive with respect to the po several fundamental aspects and opportunities of Pagina CO2 8 Produzione di metanolo 19/07/20 2 Fuel Cells (DMFC) da or CO indirectly (after conversion into water reduction, in hydrogen generation electroreduction to CH a mainresults perspective of 3OH, with which hydrogen by reforming). designing a simple, efficient and reliable methodofforCO the2 to CH3OH, the the electrochemical reduction Sara Bucci At present, most of the commercial CH3OH is produced from continuous electroreduction of CO2 using renewable energy energy supplied to the system is consumed by two reac methane through syngas (the mixture of CO and H2) by steam (a) CO2 + e- + H+ (at cathode surface) = HOCO- (dioxymethylene ry of studies HOCO + e + H = H O + CO (carbon monoxide) Elettrocatalisi on of CH OH formation is a combination of a CO + e + H = HCO - mistry - + 2 - 3 dation reaction at the cathode and anode of the ARTICLE ly, as presented in Table 1. + HCO + e - + H+= CH2O (formaldehyde) HCHO + 2e - + 2H+= CH3 OH Due probabili meccanismi di reazione: rochemical reaction for CO2 conversion to Overall: CO2 + 6H+ + 6e- = CH3OH + H2O 3OH under standard conditions. (b) Electrochemical reaction (V) CO2 + e - + H+ = HCOO- (formate ion) CO2 + e- + H+ (at cathode surface) = HOCO- E (dioxymethylene ion) -+ H +=H + 6H+ +HOCO 6e- -! +2O H2+OCO (carbon -0.22 vs. SCE 3OH HCOO- + e- + H+ = HCOOH (formic acid) + eCH monoxide) HCOOH + e- + H+ = HCO + H2O + + 6e- 3H2O ! 1.5O2 + 6HCO 0.99 vs. SCE + e + H+= HCO 2 HCO + e- + H+= CH2O (formaldehyde) - + H+= CH O (formaldehyde) +3eOH + 2H2O !HCO CH + 1.5O22 1.21 HCHO + 2e- + 2H+= CH3OH HCHO + 2e - + 2H+= CH3 OH V uscript ly, it is feasible to electrochemically reduce CO2 + 6H+ +potential 6e- = CH3OH H2O Overall: CO2 + 6H+ + 6e- = CH3OH + H2O however,Overall: the reduction of +carbon ) mV positive with respect to the potential for Figure 2. Probable reaction pathways in the electrochem which resultsCO in2hydrogen Then, + e - + H+ =generation. HCOO- (formate ion) in reduction of CO2 to CH3OH, through CO (a) and HCOOH al reduction of - CO electrical 3OH, the HCOO + e-2+to H+CH = HCOOH (formic acid) intermediates. Materiali catalitici con elevata attività e selettività LENTA the systemREAZIONE is HCOOH consumed reactions: + e- +by H+two = HCO + H2O ution Reaction (HER), in which the energy is HCO + e- + H+= CH2O (formaldehyde) 2.1. Applied cathode materials production of hydrogen- through the process + HCHO + 2e + 2H = CH3OH is. Transition metals and their associatedPagina compounds, s Produzione di metanolo da CO2 19/07/20 9 of CO2 into the product of interest, CH3OH. metal complexes, have been widely evaluated f Sara + Bucci Overall: CO 6H+ + 6e- = CH3OH + H2O 2 eve high selectivities for a given product electroreduction of CO2. This is probably because these Elettrocatalisi Green Chemistry ARTICLE Metalli più attivi nella riduzione elettrocatalitica ARTICLE P Green Chemis Journal N Cella elettrocatalitica (a) For e vario therm for C in 0. Hori using Sn, F low s the e 64 solut 2011 CH3O explo react electr CH3O 3 effici electr Furth disk form recom limiti curre produ the recom were electr poten solut mate reduc Rece is 2 effor usual carbo At present, the greatest reported current densities, j, Faradaic efficiencies, FE, towards CH3OH formation associated with oxidized Cu-based electrodes with cu densities of up to 33 mA·cm-2 and Faradaic efficiencies gr than 100%, where chemical and electrochemical mechan are involved in the transformation of the CO2 molecule. (b) CATALIZZATORI: ossidi di Cu-Zn-Al Figure 3. Active metals reported in literature for the electrochemical transformation of CO2 into CH3OH. Cu and Cu oxides. In an attempt to enhance the electrochem reduction of CO2, oxidized-Cu surfaces have been applied Frese et al. reported in 1991 the CO2 electroreduction to CH O various oxidized copper electrodes (Cu foil, Cu foil therm oxidized in air, and air-oxidized Cu electrodeposited on anodiz air-oxidized Ti foil) at ambient temperature.64 The highest 2.8·10-5 mol·m-2·s-1, were found when using anodized Cu in 0 Figure 10. (a) Schematic representation and (b) KHCOphotograph vs. saturatedcell calomel electrode (SCE). 3 at -1.90of V electrochemical divided by an ion Cella aandue compartimenti dove iland exchange membrane. Fig 10a is reprinted from ref. resulting apparent Faradic efficiencies were extraordinarily Fig 10b is reprinted from ref. , Copyright (2012), with permission catodico from Elsevier. e anodico sono (~240%). compatimento 45 161 separati da una membrana derivata dal 2.1.1. Copper (Cu) and Cu-based electrodes Among the various metal electrodes employed for the Produzione di metanolo da CO2 electrochemical reduction of CO2, copper (Cu) is one of the Saramaterials Bucci most promising for obtaining hydrocarbons and Jhong et al. suggested that even if the cell configuration might have a profound effect67on mass transport, apparently is not the 2 limiting step in the electroreducion performance of CO2.28 If that is the case, the structure and configuration of the catalytic surface in the electrode may play a vital role in the electrochemical reactions for CO2 conversion.Pagina 10 19/07/20 In 2009, Chang et al. synthesized Cu O cubes to prepare C permette scambio were ionicocharacte catalyzed nafion carbon che clothes. Theselomaterials electrochemically by potentiostatic measurements and c voltammetries in 0.5 M NaOH electrolytes saturated with CO Structure of the electrode GC/FID2.4.2. analysis of the electroreduction process confirmed Metallic electrodes applied in CO electroreduction processes CH OH to be the predominant product. The current responses fo 2 tored as chemical energy. Moreover, methanol is he most promising photo-reduced product of carbon dioxide because it can be transformed into other useful hemicals using conventional chemical technologies, or easily transported and used as fuel-like renewable nergy. Processo sostenibile la rimozione reMany researchers have shownche thatpermette CO2 can be duced in water vapor or solvent by photocatalysts such della CO2 in eccesso dall'atmosfera, ed anche la s TiO2 and ZnS [2, 3]. Equation (1) describes the overall eaction. sua conversione in prodotti di interesse industriale Fotocatalisi hν CO2 + 2H2 O −−→ CH3 OH + 3 O2 2 (1) The efficient photoreduction of CO2 with H2 O is one of the most challenging tasks of environmental cataFOTOCATALIZZATORE: TiO2 ysts. As well known, titania is a photo-excited catalyst. The bandgap of anatase form TiO2 is 3.2 eV, making it RUTILO ANATASE perfect candidate for UV illumination. Grande densità di massa e Titania-supported copper plays a crucial role for promoting the reduction un inferiore valore of di CO band 2 [4]. The yield of photo products can be changed substantially under different gap pari a 3,02 eV che xperimental conditions such as UV wavelength, UV inensity, additives ofad reaction corrisponde una media and reactor configuation. Other variables, such as CO2 pressure, moisture lunghezza d’onda nd residence time are also important in photo reducng CO di2𝜆. = 413 nm Practical applications of TiO2 photocatalyst for the emediation of vapor-phase CO2 streams often require mmobilizing the photocatalyst in a packed-bed photo eactor. A variety ofProduzione heterogeneous supports have been di metanolo da CO 19/07/20 2 Sara Bucci Densità di massa piccola e ampio valore di band gap pari a 3,20 eV che corrisponde ad una lunghezza d’onda di 𝜆= 388 nm Pagina 11 Fotocatalisi 116 116 J. C. S. Wu and H.-M. Lin TiO2 REATTORE: fotoreattore a fibre ottiche fiber permette una migliore trasmissione e uniforme distribuzione della luce FOTOCATALIZZATORE: TiO2 Figure 1. The schematic of light transmission and spread of TiO2 coated-optical fiber. Figure 2. Photo of optical-fiber photo reactor. explored including glass surface [5, 6], Produzione di metanolo dalamp CO2 casings [7], reactor walls [8], fiberglass cloth [9], quartz rods [10] and monoliths Sara [11, 12]. BucciThe transmission and uniform distribution of light energy are important in designing Vol. J. 07C. S. Wu and H.-M ide (97%, Aldrich, USA) and polyethylene glycol (PEG, molecular weight of 20000, Merck, Darmstadt, GerTiO many) were added to 0.1 M nitric acid2solution. The volume ratio of titanium butoxide to HNO3 was 1 : 6, and the weight of PEGfiber was 50% of that of TiO2 . The appropriate amount of copper precursor, CuCl2 , was added to obtain the desired Cu loading of TiO2 . The mixed solution was heated to 80◦ C for 8 hours. PEG was added to prevent cracking during the drying and calcination of the film. Furthermore, PEG increased the viscosity of the solution and dispersed TiO2 particles uniformly in Figure 1. The schematic of light transmission and spread the solution. The appearance of pure TiO2 solution was fiber. of TiO2 coated-optical transparently milky.trasmessa nella fibra ottica viene La luce Optical fiber was obtained from the E-Tone Technology Company of due Taiwan. Thequando polymericcolpisce shield onla divisa in raggi the optical fiber was burned off in a furnace at 400◦ C. The remaining quartz core had a diameter of 112 µm. parete interna. Using the same procedure, TiO2 coatings were applied to glass plates were 5 cm long,riflessa 2 cm wide and Partethat della luce viene e trasmessa 0.1 cm thick, for characterization. Both quartz fiber and the glass plate cleaned by 5 M NaOH in nello nellewere fibre, la restante partesolution penetra an ultrasonic cleaner. They were then rinsed in deionized water dried e before applying dip-coating statoand di TiO lo eccita. 2 procedure. The bare fiber was immersed into the solution vertically, and then pulled up at various rates by a step motor. The rates of pulling-up ranged from 5 to 50 mm/min. The TiO2 film was dried in air at 150◦ C by a rate of 1◦ C/min from the ambient temperature, and maintained at 150◦ C for 3 hours. Then it was calcined 19/07/20 Pagina 12 at 500◦ C for another 5 hours. The TiO2 phase of the film was determined using the X-ray diffractometer, MAC Science M03XHF, scan- ide mole man ume the w pria to ob lutio to p of th the s the s tran O nolo the The Usin to g 0.1 c the an u ioniz proc lutio a ste Fotoelettrocatalisi Combinazione del metodo elettrocatalitico e fotocatalitico • L'applicazione di una differenza di potenziale esterna guida la migrazione degli elettroni e dei positive holes fotogenerati al catodo e all'anodo rispettivamente e efficientemente riduce la loro ricombinazione • Le celle fotoelettrocatalitiche separano l'anodo e il catodo evitando che i prodotti igure 1 Schematic diagrams forSEMICONDUTTORI PEC CO2 reduction in water ELETTRODI perusing semiconductor as (a) photocathode, (b) photoanode and (c) both photoanode nd photocathode. (d) Schematic diagram for the device combining a photovoltaic cell with an efficient electrochemical catalyst for CO2 reduction. meglio impiegare l’energia solare e superare e il and bandoxygen gap evolution [23,24]. In the PEC duction [21,22] ystem, differently from the traditional electrocatalysis SOLUZIONE ELETTROLITICA which commonly uses metals as electrodes, semiLUCE SOLARE onductors are commonly manufactured into photoelecrodes in order to harvest solar energy and catalyze the DDP ESTERNA eactions [25]. Several distinct merits are embodied in the PEC system: 1) the applied external electrical bias drives di metanolo da CO2 he migration andProduzione aggregation of photogenerated elecrons and holes at cathode and anode, respectively, which Sara Bucci an efficiently suppress their combination; 2) the PEC ossidati o ridotti si mischino this research field has received increasing attention in recent years [13,27,28]. The principles of light harvesting and setup for PEC CO2 reduction are similar to those for water splitting [8,13]. Briefly, the photoelectrode is immersed into the electrolyte solution. Under light illumination, the incident photons with energy equal to or higher than the band gap Paginato13excite energy 19/07/20 (Eg) of photoelectrode can be absorbed electrons from valence band (VB) to conduction band (CB) and simultaneously generate holes in VB. With the Fotoelettrocatalisi PROBLEMA: capacità dei semiconduttori di generare positive holes che possono ossidare il semiconduttore stesso O2 + H+ CO2 + H+ H2 O CH3OH TiO2/Pt Ru complexes/InP FOTOCATODO IBRIDO MEMBRANA per SISTEMI IBRIDI: semiconduttore + co-catalizzatore evitare la riossidazione metallico + acqua come fonte di elettroni e protoni sulla superficie del fotoanodo Produzione di metanolo da CO2 Sara Bucci 19/07/20 Pagina 14 Riduzione per via enzimatica ENZIMI: FDH (formiato deidrogenasi) FaldDH (formaldeide deidrogenasi) ADH (alcol deidrogenasi) La FDH produce acido formico da anidride carbonica La FaldDH converte l’acido formico in formaldeide La ADH converte la formaldeide in metanolo Schema 1.1: Reazione enzimatica in serie in cui tre enzimi (FDH, FaldDH, ADH) catalizzano la conversione di CO2 a CH3OH. In realtà la reazione che gli enzimi catalizzano naturalmente è quella inversa, dove dal metanolo si ottiene CO2, ma è stato dimostrato che la costante di equilibrio può essere cambiata di diversi ordini di grandezza per favorire la produzione di metanolo ottimizzando le condizioni di reazione [11,15]. Ci sono due tipi di FDH: quelli NAD+-dipendenti e quelli Schema 1.1: Reazione enzimatica in serie in cui tre enzimi (FDH, F per DH, ADH) catalizzano la metallo-dipendenti,ald i secondi il cofattore NAD+/NADH non è necessario per catalizzare le conversione di CO2 a CH3OH. reazioni descritte precedentemente [15,33]. Tuttavia, il secondo tipo di FDH è dipendente da un metallo molto sensibile all’ossigeno che può essere Molbideno (Mo) o Tungsteno (W) e quindi non adottabili a livello industriale [15]. Quindi per questo lavoro viene utilizzato l’FDH derivante da Candida Boidinii (CbFDH) che oltre ad essere tollerante all’ossigeno, è In realtà la reazione che gli enzimi catalizzanodisponibile naturalmente è quella Le inversa, dove dal enzima si possono ricavare dalla commercialmente. dimensioni di questo metanolo si ottiene CO2, ma è stato dimostrato che costante di equilibrio può essere a una sfera si trova che l’FDH ha un massala molecolare di 81200 Da e con un’approssimazione diametro di circa 5.7 [37,38]. Come si può vedere le dalla Figura 1.3, questo FDH e gli altri cambiata di diversi ordini di grandezza per favorire la produzione dinm metanolo ottimizzando NAD+-dipendenti, formano solitamente omodimeri costituiti da due monomeri identici, quindi + condizioni di reazione [11,15]. Ci sono due tipi di FDH: quelli NAD -dipendenti e quelli ogni omodimero contiene due siti attivi (dove avviene la reazione di interesse) Produzione di metanolo da CO2 19/07/20 Pagina[39]. 15 + Gli enzimi naturalmente catalizzano la reazione inversa metallo-dipendenti, per i secondi il cofattore NAD /NADH non è necessario per catalizzare le reazioni descritte precedentemente [15,33]. Tuttavia, il secondo tipo di FDH è dipendente da Sara unBucci metallo molto sensibile all’ossigeno che può essere Molbideno (Mo) o Tungsteno (W) e come SBA-15 (Santa Barbara amorphous-15) e MCF (Mesocellular Foam), tramite l’utilizzo come SBA-15 (Santa Barbara amorphous-15) e MCF (Mesocellular Foam), tramite l’utilizzo di polimeridi formati tre blocchi glicole polietilenico-glicole polimerida formati da tre(PEO-PPO-PEO: blocchi (PEO-PPO-PEO: glicole polietilenico-glicole polipropilenico-glicole polietilenico)polietilenico) [28]. Il primo, ha SBA-15, dei pori ha cilindrici di cilindrici di polipropilenico-glicole [28].SBA-15, Il primo, dei pori dimensioni didimensioni circa 5 nmdiordinati con una geometria esagonale, sintetizzati con circa 5 spazialmente nm ordinati spazialmente con una geometria esagonale, sintetizzati con il Pluronic P123 come P123 polimero precursore [27,28]. Il secondo viene invece sintetizzato ilapplication, Pluronic come polimero precursore [27,28]. Il secondo viene sintetizzato ves the dilemma of the expansion of the demand such a reduction must be invece somehow performed by aggiungendo un1.cosolvente organico (mesitilene) alla procedura dell’SBA-15, questoco-encapaggiungendo cosolvente organico (mesitilene) alladiTEOS procedura di dell’SBA-15, questo Figure Beadsunproduced from Ca-alginate and containing while a dramatic reduction of CO2 emission is implementing the most energetically and economically conpermette unapermette trasformazione strutturale delstrutturale supporto. del In questo modo l’MCF modo ha unal’MCF struttura una trasformazione supporto. In questo ha una struttura DH, F DH and ADH. sulated F ate ald tridimensionale “spugnosa” formata da celle sferiche interconnesse fra di loro tramite pori “spugnosa” formata da celle sferiche interconnesse fra didei loro tramite dei pori iting the climate change. A substantial part (at tridimensionale venient technologies. aventi dimensione circa 20 nm di 10 nm [28,42] aventididimensione di con circaaperture 20 nm di condiametro aperturemaggiore di diametro maggiore di 10(Figura nm [28,42] (Figura Inoltre,1.4). i supporti possono essere sintetizzati con differenti dimensioni pori the needed energy is obtained today from 1.4). fossil Recently, we MCF have faced the problems of: i)deidimensioni developing Inoltre,MCF i supporti possono essere sintetizzati con differenti dei pori variando il rapporto mesitilene/P123 [31,43]. [7] + variando il rapporto mesitilene/P123 [31,43]. dditionally, there are no alternatives available for robust enzymes and ii) reducing NAD in situ to determine sta[a] Riduzione per via enzimatica ENZIMI + [8] years.[1] This is rising serious worries about thezymes thereduces extent tothe which can be recycled to increase the % rateNAD of formation of methanol by 10–40 Planet should the correlation of the increase of ratio CH3OH/NADH. This ratio is a key issue in defining whether b witha respect to co-encapsulated enzymes, depending on the Figure 2. Methanol yield for CO2 reduction ure toConfinare the CO2 emission biotechnological production of methanol would be possible. continue. with NADH regeneration by NAD + reduction gli enzimi inTechnologies una Alginato di silice and the amount beads used. In this paper, we report theof preliminary result on the behaviour ion of the immission of CO2 into the atmosphereconditions reactions in “one-pot” (*) and separately (~) [8] matrice solida porosa co-encapsulated werereducing used insystems experiments of some chemical and enzymes photochemical and of oposed. They encompass a numberper of possibili- Such tion was added in a 1:1 molar ratio with resp IMMOBILIZZATI Gelatina + + show their potential for an effective recycling of NAD . he improvement of the efficiency in the produc-the reduction of CO2 coupled to regenerate NAD . The artifi- The reaction was conducted in 0.5 m TRIS·HC ottenere una maggiore nomethane] buffer at pH 7 and 37 8C. + represented in The enzymatic of CO quires large investment capitals) and use ofcial reduction 2 in Supporti silicei mesoporosi of NADreduction to NADH can bewater, performed in different Scheme 1, was first reported by Obert and Dave, who also recapture and storage of emitted carbon dioxide ways by using: i) chemicals that act as reducing agents, produzione di metanolo ported the properties of the enzymes and showed that the se of perennial energy sources (solar, wind, water) (a) (b) (c) various [9] metalwere complexes reducing (b) coupled An(c)attempt three (a) enzymes deactivated in a shorttotime. of renewables (biomass).[4] CCS has risen large ex-ii) transition iii) semiconductors or metal systems that agents including H2,INCAPSULATI Evidently, although the additio the last ten years, but it is potentially site-related Figura 1.4: Struttura dei supporti silicei mesoporosi: (a), SBA-15 (b), MCF (c) Figura 1.4: Struttura dei supporti siliceiMCM-41 mesoporosi: MCM-41 (a), SBA-15 (b), MCF (c) ntensive: it will have a net effect on expandingmay use (solar) light as a source of energy for the reduction amount of CH3OH formed per mol o +metallici e of fossil carbon, the intensity of which depends Questi materiali sono stati ampiamente studiati come supporto per ossidi NADH grows from 0.33 to more than under electroand iv)Questi electrocatalysts maystudiati reduce materiali sono stati that ampiamente come NAD supporto per ossidi metallici e metalli per la catalizzazione di diverse reazioni. Ad esempio, MCM-41 e SBA-15 sono stati metalli per la catalizzazione di diverse reazioni. Ad esempio, MCM-41 e SBA-15 sono stati conditions for CO2 transportation to the disposal utilizzati come supporti per il Rodio (Rh) per la decomposizione di N2O [44]. In altri lavori le deactivated and after seven cycles i chemical utilizzati conditions. come supporti per il Rodio (Rh) per la decomposizione di N2O [44]. In altri lavori le silici mesoporose sono state sintetizzati con Vanadio (V) per la deidrogenazione ossidativa ng. silici mesoporose sono state sintetizzati con Vanadio (V) per la deidrogenazione ossidativa del propano e sono emersi buoni risultati inexpensive [45-47]. Inoltre, perand la loro particolare struttura For reagents easily that the contact of SDT with the e del class propano(i) e sono emersi buoni risultati [45-47]. Inoltre, per la affordable loro particolare chemstruttura h technologies, the utilisation of carbon dioxide mesoporosa, in cui i pori appunto variano dai 2 ai 50 nm, le silici mesoporose risultano essere mesoporosa, in cui i pori appunto variano dai 2 ai 50 nm, le silici mesoporose risultano essere Scheme 1. CO reduction to methanol in water promoted by F DH, F DH 2 l’immobilizzazione ate ald icalsdeglimust used. We have tested both possiedono hydrazine and deactivation. degli is interessanti supportibe per di enzimi. Questi supporti ource for the synthesis of chemicals and fuels interessanti supporti per l’immobilizzazione di enzimi. Questi supporti possiedono and ADH. anche delle ottime proprietà meccaniche che permettono al catalizzatore di sopportare delle [7] anche delle ottime proprietà meccaniche permettono al catalizzatore di sopportare delle tion for its contribution to recycling carbon tosodium To avoid such detrimental contac (SDT) andchee compressione have found that the condizioni operativedithionite dove sono presenti sforzi di taglio maggiori rispetto ad latter is condizioni operative dove sono presenti sforzi di taglio e compressione maggiori rispetto ad altri supporti di origine biologica. Infatti, questi materiali sono stati utilizzati con successo with a consequent reduction of the extraction ofmuch altri supporti efficient di origine biologica. Infatti,former questi materiali sono stati utilizzati con successo oxidation of NADH and the reduct than the per questo scopomore in applicazioni analitiche e come sensori [25,26]. (Scheme In particolare, è2). stato visto [10] per questo scopo in applicazioni analitiche e come sensori [25,26]. In particolare, è stato visto che l’SBA-15to e l’MCF sono degliCO-INCAPSULATI efficienti enzymes supporti per l’immobilizzazione tramiteby legami make more robust was made later Such an approach merges biological and chemical encapsuche l’SBA-15 e l’MCF sono degli efficienti supporti per l’immobilizzazione tramite legami formation, the solution was separate covalenti per diversi enzimi, come l’α-amilasi, la tripsina, la penicillina G acilasi e molti altri covalenti per diversi enzimi,into come an l’α-amilasi, la matrix tripsina, lamade penicillina G acilasi e molti for the development of new hybrid nanotechnollatingquesto the enzymes hybrid ofmediante alginate andaltri NADH: cofattore che fornisce (25,26). Per ottenere tipo di immobilizzazione, la silice viene funzionalizzata with stoichiometric amounts of S (25,26). Per otteneresulla questo di immobilizzazione, la silice come viene ad funzionalizzata mediante dei gruppi funzionali introdotti suatipo superficie da Ca-alginate reagenti specifici esempio silicate by reacting withspecifici tetramethoxysidei gruppi obtained funzionali introdotti sulla sua superficie da reagenti come ad esempio APTES (amminopropiltrimetossisilano), MTPS (3-mercaptopropiltrimetossilano) e GPTMS beads: the necessari life of the enzymes gli elettroni per farwas p (amminopropiltrimetossisilano), MTPSof (3-mercaptopropiltrimetossilano) ng case is the biotechnological reduction of(3-glicidilossipropiltrimetossilano) CO2 APTES lane (TMOS) in water. Hydrolysis TMOS produced [19,26,30]. In particolare, è stato visto che methanol la e GPTMS (3-glicidilossipropiltrimetossilano) [19,26,30]. Inaldeidici particolare, è stato delvisto che la funzionalizzazione con il GPTMS, la quale introduce dei gruppi sulla superficie formed in higher amounts (Figure 2, which has applications as a raw chemical and funzionalizzazione and a cage ofconCa-silicate, blocked the enzymes il GPTMS, la which quale introduce deienzimatica gruppi aldeidici sullawithout supporto, è molto efficiente nell’immobilizzazione e stabilizzazione in quanto i superficie del avvenire la reazione [10] supporto, è molto efficiente nell’immobilizzazione e stabilizzazione enzimatica in quanto i eduction occurs in water at room temperature any apparent modification of their activity. However, if TMOS 10 CH3OH per mole of NADH were form 10 ted by three enzymes, namely formate dehydrois not completely hydrolysed before NADH is added, methanol a furtherriducente attempt to improve t SDT:Inagente H), formaldehyde dehydrogenase (FaldDH), and alcan be formed that can be counted as methanol produced in fied the reaction apparatus and buil ogenase (ADH), while the necessary energy is prothe reduction of CO2. We have verified that this may be the 12 2 into CH3OH by co-encapsulated tion cell (Figure 3) so that the reduc Scheme 2.by “One-pot”13conversion of CO icotinamide adenine Produzione dinucleotide diphosphate in19/07/20 the encapsulation of the 3)4 + metanolo dacase CO2 using CO2 and Si(O CH Pagina 16 FaldDH and enzymes,the with NAD reduction to NADH using SDT. partment A, while the reduction of h is oxidised to NAD + . In nature, NAD + is re-FateDH, enzymes andADH measuring amount of 12CH3OH and 13CH 3OH o NADH through solar light; a biotechnological collected after reduction of 13CO2. Variable amounts of 12CH3OH partment B. Compartments A and SarainBucci (2–10 % of the total) have been detected that cannot be cheme 2. “One-pot” conversion of CO2 into CH3OH by co-encapsulated + reduction to NADH using SDT. ateDH, FaldDH and ADH enzymes, with NAD fied the reaction apparatus and built a two-compartment re tion cell (Figure 3) so that the reduction of CO2 occurs in co partment A, while the reduction of NAD + takes place in co partment B. Compartments A and B are separated by a tered glass disc that reduces the back diffusion of the reage Riduzione per via enzimatica Adding SDT slowly up to a stoichiometric amount [Eq. (1)] to NAD + after all NADH was oxidised NAD + caused theacquosa reduc- e • Riduzione della CO2 atometanolo in fase + on of NAD into NADH that could reduce more CO2. The rea temperatura ambiente ction was followed by using UV-VIS at l = 344 nm to monitor he amount of NADHper andfar byavvenire evaluating amount of CH3OH • Energia la the reazione è fornita dal ormed. cofattore NADH che viene ossidato a NAD+ 2" 2" NADþ þ• S2 ONAD þ+2 viene H2 O !ridotto NADHmediante þ 3 Hþ þ2 SO 4 3 sodio ditionito ð1Þ The conversion of CO2 into CH3OH after each addition of DT to the pot, where CO2 was bubbled through a suspension f beads in water in presence of NADH, is shown in Figure 2. After seven cycles, a total amount of 2.13 mol of CH3OH per mol of starting NADH was formed (Figure 2,+ *). SDT • Riduce NAD 374 Figure 3. Two-compartment reactor for COCOMPARTIMENTI 2 reduction to methanol by co REATTORE A DUE encapsulated enzymes (compartment A) and NADH regeneration by SDT (compartment B). P is a plug for the transfer of the solution from B to A. • Permette di ridurre CO2 a metanolo www.chemsuschem.org ! 2012più Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim • Causa una veloce disattivazione degli enzimi Produzione di metanolo da CO2 Sara Bucci ChemSusChem 2012, 5, 373 – 19/07/20 Pagina 17 Conclusioni e futuri sviluppi OBIETTIVO: abbattimento della CO2 in atmosfera Recupero della CO2 + utilizzo mediante fonti di energia rinnovabili CATALISI ETEROGENEA ELETTROCATALISI • Scarsa selettività • Condizioni di reazione drastiche • Catalizzatori con alta selettività, attività, stabilità FOTOCATALISI • Energia da fonti rinnovabili • Blande condizioni operative • Energia da luce solare FOTOELETTROCATALISI • • Costi elevati Solo impianti da laboratorio Produzione di metanolo da CO2 Sara Bucci Carbon Dioxide Conversion to Methanol: Opportunities and Fundamental Ch http://dx.doi.org/10.5772/intechope Figure 2. Green methanol production by Carbon Recycling International Pagina [18]. 19/07/20 18 Conclusioni e futuri sviluppi George Olah Renewable Methanol Plant • La CO2 viene catturata da vapore proveniente da una vicina centrale geotermica che fornisce anche l'energia necessaria per far avvenire l'elettrolisi dell'acqua e produrre idrogeno • Idrogeno e CO2 reagiscono per dare metanolo per via elettrocatalitica a bassa temperatura e pressione • Il catalizzatore utilizzato per far avvenire la riduzione della CO2 è a base di ossido di rame e di zinco 5500 t/y di CO2 Produzione di metanolo da CO2 Sara Bucci 19/07/20 4000 t/y metanolo Pagina 19 Riferimenti • • • • • • • • • • Carbon Dioxide Conversion to Methanol: Opportunities and Fundamental Challenges Sajeda A. Al-Saydeh and Syed Javaid Zaidi Hydrogenation of CO2 to Methanol: Importance of Metal-Oxide and Metal-Carbide Interfaces in the Activation of CO2 José A. Rodriguez*, Ping Liu, Dario J. Stacchiola, Sanjaya Senanayake, Michael G. White and Jingguang G. Chen Methanol Synthesis from CO2: A Review of the Latest Developments in Heterogeneous Catalysis R. Guil-López *, N. Mota, J. Llorente, E. Millán , B. Pawelec , J.L.G. Fierro and R. M. Navarro * Optimization of Methanol Yield from a Lurgi Reactor Lei Chen, Qingzhe Jiang, Zhaozheng Song, Dusko Posarac Towards the electrochemical conversion of carbon dioxide into methanol J. Albo,*, M. Alvarez-Guerra, P. Castaño and A. Irabien Photochemical and Photoelectrochemical Reduction of CO2 Bhupendra Kumar, Mark Llorente, Jesse Froehlich, Tram Dang, Aaron Sathrum, and Clifford P. Kubiak Photo reduction of CO2 to methanol via TiO2 photocatalyst Jeffrey C. S. Wu and Hung-Ming Lin Studio di enzimi immobilizzati per la produzione di metanolo a partire da anidride carbonica Tesi di Laurea Magistrale Emanuele Berruto Hybrid Technologies for an Enhanced Carbon Recycling Based on the Enzymatic Reduction of CO2 to Methanol in Water: Chemical and Photochemical NADH Regeneration Angela Dibenedetto, Paolo Stufano,Wojciech Macyk, Tomasz Baran,Carlo Fragale, Mirco Costa, and Michele Aresta Produzione di metanolo da CO2 Sara Bucci 19/07/20 Pagina 20 Riferimenti • • • Recent progress on advanced design for photoelectrochemical reduction of CO2 to fuels Ning Zhang, Ran Long, Chao Gao and Yujie Xiong Photoelectrochemical reduction of CO2 at p-InP electrode in copper particle-suspended methanol Satoshi Kanecoa, Yousuke Uenoa, Hideyuki Katsumataa, Tohru Suzukib, Kiyohisa Ohta Photocatalytic and Photoelectrochemical Reduction of CO2 to Methanol in Aqueous Medium Shahed Khan, Frites, Shaban and Mac Grey Produzione di metanolo da CO2 Sara Bucci 19/07/20 Pagina 21