CO2 hydrogenation to light olefins over metal supported SAPO-34

Abstract

Direkte hydrogenering av karbondioksid til høyverdige kjemikalier er en lovende strategi for å lukke karbonsyklusen ved å redusere overskuddet av karbondioksid i atmosfæren og samtidig minske avhengigheten av fossile brennstoff. De siste tiårene har det vært et stort insentiv i forskningsmiljøet for å finne en bærekraftig og direkte rute for konverteringen. Bifunksjonelle katalysatorer komponert av metalloksider på zeotyper har vist stort potensiale i denne sammenhengen. Tandemkatalysen har en gunstig termodynamisk effekt. I denne prosjektoppgaven har 14 ulike metalloksider eller metalloksid-kombinasjoner på zeotypen SAPO-34 blitt sammenlignet for den direkte konverteringen av CO2 til lette olefiner. Hovedsakelig har de forskjellige katalysatorene blitt diskutert med hensyn på CO2 konvertering og lett olefinselektivitet. Det er blitt rapportert konvertering fra 12,6 til 54,6%, og selektivitet mellom 48 og 90%. Resultatene indikerer at zirkonium, indium og sink er komponenter i katalysatorene som utviser best selektivitet og konvertering. I tillegg tyder resultatene på at sink øker selektiviteten for lette olefiner i mange tilfeller, til tross for at konverteringen ser ut til å bli lavere. Alt i alt utviste In2O3-ZrO/SAPO-34-katalysatoren fremstilt av Gao et al. best konvertering og selektivitet uten for mange uønskede biprodukter som metan og karbonmonoksid. Imidlertid oppnådde også Fe2O3@KO2/ZrS/SAPO-34 og Ce-CuZnZr@Zn-SAPO-34 bemerkelsesverdig høy konvertering. Likevel er det utfordringer før prosessen kan tas i bruk kommersielt. Den potensielle miljøgevinsten gjør temaet svært aktuelt for videre forskning.

Direct hydrogenation of carbon dioxide to high value-added chemicals is a promising approach to mitigate the accumulated surplus of carbon dioxide in the atmosphere and at the same time reduce the dependency on fossil fuels by closing the carbon cycle. Various efforts have been made to offer a direct and sustainable route, and bifunctional catalysts of metal oxides on zeotypes show great potential in this respect. Tandem catalysis offers a highly attractive way to couple reactions and make the route thermodynamically favourable. Herein, 14 different metal oxides or metal oxide composites supported on the zeotype SAPO-34 have been compared for the direct conversion of CO2 to light olefins. Chiefly, they have been discussed in terms of CO2 conversion and light olefin selectivity. The conversion ranges from 12,6 to 54,6%, while the selectivity ranges from 48 to 90% for the reported catalysts in this project. As a result, zirconium, indium and zinc appears to be common metals among the best performing ones. The results also indicates that the introduction of zinc increases the selectivity in many cases despite often decreasing conversion. In conclusion, the In2O3-ZrO/SAPO-34 catalyst prepared by Gao et al. exhibited the best conversion and selectivity without too many unwanted biproducts such as methane and carbon monoxide. However, the novel Fe2O3@KO2/ZrS/SAPO-34 and Ce-CuZnZr@Zn-SAPO-34 also achieved remarkably high conversion. Still, there are remaining challenges before the process can be applied commercially. For all those reasons including the potential environmental gain, further research should be conducted on the topic.