Hydrogenation of CO2 to light olefins over a In2O3/ZrO2-SAPO-34 bifunctional catalyst

Abstract

De siste årene har det vært et økende fokus på å finne måter å utnytte CO2 på. En lovende tilnærming er å bruke CO2 i katalytiske reaksjoner for å produsere verdifulle kjemikalier, og dermed redusere utslippene samtidig som det gir nyttige produkter. Alkener kan fremstilles fra CO2 ved først å produsere metanol som et mellomprodukt. Metanol omdannes videre til alkener gjennom MTO-ruten. Tradisjonelt utføres dette gjennom to separate reaksjoner med forskjellige katalysatorer, men en bi funksjonell katalysator gjør det mulig å utføre begge reaksjonene i en reaktor.

Hovedmålet med denne oppgaven er å undersøke den bi funksjonelle katalysatoren In2O3/ZrO2 – SAPO-34 under forskjellige betingelser, inkludert variasjoner i katalysatorens masseforhold og reaksjonens temperatur og strømningshastighet. Målet er å få innsikt i hvordan disse faktorene påvirker omdannelsen av CO2 til alkener.

In2O3/ZrO2-katalysatoren ble syntetisert med våtimpregnering og karakterisert ved bruk av XRD, XRF, N2 fysisorpsjon, STEM og EDX. SAPO-34 ble karakterisert ved bruk av XRD, N2 fysisorpsjon, STEM, EDX og NH3-TPD. CO2 til alken-reaksjonen ble deretter utført i ISMA for å evaluere katalysatorens ytelse.

Økt temperatur viste seg å ha størst innflytelse på reaksjonen, ved forbedret omsetningsgrad, økt hydrokarbonselektivitet og redusert koksdannelse. Masseforholdet påvirket reaksjonen betydelig, da høyere SAPO-34-innhold resulterte i forbedret hydrokarbonselektivitet, men også økt koksdannelse. Eksperimenter utført med ulike strømningshastigheter indikerte at lavere strømningshastigheter økte omsetningsgraden av metanol til alkener, men påvirket ikke omsetningsgraden av CO2 til metanol eller hydrokarbonfordelingen.

In recent years, finding ways to utilize CO2 has gained a lot of attention. A promising approach is employing CO2 in catalytic reactions to produce valuable chemicals, thereby reducing emissions while giving useful products. Light olefins can be produced from CO2 using the MTO-route, where methanol is first produced from CO2. Traditionally, this involves two separate reactions and catalysts, but a bifunctional catalyst enables both reactions to occur in one reactor.

The main objective of this thesis is to investigate the In2O3/ZrO2 – SAPO-34 bifunctional catalyst under various conditions, including the catalysts mass ratio, reaction temperature and space velocity. The aim is to gain insights in how these conditions influence the reaction of CO2 to light olefins.

The In2O3/ZrO2 catalyst was synthesized with wet impregnation and characterized using XRD, XRF, N2 Physisorption, STEM and EDX. The SAPO-34 zeolite was characterized using XRD, N2 Physisorption, STEM, EDX and NH3-TPD. The CO2 to olefins reaction was then carried out in the ISMA to evaluate the catalyst performance.

Elevated temperature proved to have the most influence on the reaction, enhancing conversion, increasing hydrocarbon selectivity and mitigate coke formation. The mass ratio significantly affected the reaction, as higher SAPO-34 content resulted in improved hydrocarbon selectivity, but also increased coking. Experiments done with space velocities indicated that lower space velocities enhanced the conversion of methanol to olefins, but did not impact the CO2 conversion or hydrocarbon distribution.