Tilbake til søkeresultatene

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

Conversion of CO2 to light olefins by cascade reactions over bifunctional nanocatalysts

Alternativ tittel: Omdanning av CO2 til lette olefiner gjennom koblede reaksjoner over bifunksjonelle nanokatalysatorer

Tildelt: kr 9,8 mill.

Prosjektleder:

Prosjektnummer:

288331

Søknadstype:

Prosjektperiode:

2019 - 2023

Geografi:

Samarbeidsland:

CO2, den viktigste kilden til klimaendringer via drivhuseffekten, er også en potensiell karbonkilde for kjemisk industri. Naturen forbruker 110 gigatonn CO2 per år som karbonkilde for produksjon av karbohydrater via fotosyntesen. Tilsvarende bruk av CO2 som råstoff til karbonholdige forbruksvarer vil kunne gi lavere CO2-utslipp, redusert avhengighet av fossile brensel og redusert forurensning. Lette olefiner (eten, propen og butener) er viktige byggesteiner i petrokjemisk industri, med en årlig produksjon på over 120 millioner tonn. Innfanging og bruk av CO2 som råstoff til produksjon av lette olefiner vil være et viktig bidrag til en antropogen karbonsyklus, forutsatt at den nødvendige energitilførselen kommer fra fornybare kilder. Målet for CO2LO er å omdanne CO2 direkte til lette olefiner gjennom koblede reaksjoner over en bifunksjonell katalysator. Den foreslåtte prosessen kombinerer hydrogenering av CO2 til CO og vann, omdanning av CO og hydrogen til metanol, og omdanning av metanol til olefiner, i én reaktor. Alle trinn er velkjente industrielle prosesser, men de krever to reaktorer, som hver for seg opererer ved vidt forskjellige temperaturer (250 vs 450 oC) og trykk (50 mot 3-5 bar) på grunn av termodynamiske begrensninger i de to første trinnene. Den kombinerte prosessen har en sterk termodynamisk drivkraft, grunnet den tredje, energetisk fordelaktige reaksjonen. Prosjektets mål er å utvikle en bifunksjonell katalysator der et metall/blandmetall eller metalloksid som katalyserer omdanningen av CO2 til metanol, integreres, på atomær skala, med en zeolitt-/zeotype-katalysator for selektiv omdanning av metanol til olefiner. Katalysatoroptimaliseringen vil bygge på grunnleggende kunnskaper om egenskaper og ytelse for det kombinerte systemet, oppnådd gjennom en «tilbakemeldings-sløyfe» mellom katalysatorsyntese, karakterisering, testing og mekanistiske studier. To og et halvt år inn i prosjektet har vi framstilt og kombinert katalysatorer som er kjent fra litteraturen og benyttet katalytisk testing og operando spektroskopi til å forstå hvordan og hvorfor produktfordelingen i reaksjonen forandrer seg med katalysator-sammensetningen og prosessbetingelsene. Det første året fokuserte vi på PdZn/ZSM-5 katalysatorer og fant at Zn i metallfasen, PdZn, er nødvendig for å oppnå høy selektivitet til metanol i reaksjonens første trinn. Videre fant vi at noe Zn diffunderte inn i zeolittporene og ble avsatt på zeolittens katalytiske seter, slik at zeolitten mistet evnen til å omdanne metanol til hydrokarboner. Det siste året har vi funnet at avsetting av PdZn på en ZrO2 bærer, i kombinasjon med en annen zeotype-katalysator, SAPO-34, gir stabilt høy omdanning av CO2 og H2 til propan: Nær 40% omsetning og 50% propan-selektivitet er oppnådd. Resultatene er oppnådd sammen med internasjonale samarbeidspartnere og ble nylig publisert. Målet for CO2LO er å danne olefiner, ikke paraffiner, og vi studerer nå blandoksid-katalysatorer som er mindre aktive for hydrogenering av olefiner til paraffiner. Dette arbeidet vil fortsette i 2022.

CO2, the primary driver of climate change via the Greenhouse Effect, is also a sustainable carbon resource for the production of value-added chemicals. Nature uses 110 gigatons of CO2 every year as the primary carbon source for production of carbohydrates via photosynthesis. Mimicking nature by using CO2 as a feedstock would result in substantial benefit for society with respect to lower carbon footprint for the production of value-added chemicals, reduced dependency on fossil fuels and reduced pollution. Light olefins (ethene, propene and butenes) are key building blocks in the petrochemical industry, with an annual production of more than 120 million metric tons. Capturing and using CO2 as raw material for the production of light olefins would be an important contribution to an anthropogenic carbon cycle, provided the energy input comes from renewable sources. In this context, CO2LO envisages to directly convert CO2 to light olefins through cascade reactions over a bifunctional catalyst. The proposed cascade process connects hydrogenation of CO2 to CO and water, conversion of CO and hydrogen to methanol, and conversion of methanol to olefins, all well-known industrial processes but requiring two reactors, individually operating at widely different temperatures (250 vs. 400 ?C) and pressures (50 vs 1 bar), due to thermodynamic restrictions of the first two steps. The combined process represents a strong thermodynamic driving force, enabled by the third, energetically favored reaction. The project aims to develop a bifunctional catalyst by integrating, at the molecular scale, an active metal alloy or metal oxide for the CO2-to-methanol reaction onto a zeotype catalyst for selective methanol-to-olefins conversion. Catalyst optimization will be targeted by gaining fundamental knowledge on property-performance relationships for the combined system and interfacing a positive feedback loop on catalyst synthesis, characterization, testing and mechanistic studies.

Budsjettformål:

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale