Nanostructured Catalysts for Green Fuels Production: Electrochemical Synthesis of NH3 and H2 [Catalizzatori nanostrutturati per la produzione di Green Fuels: sintesi elettrochimica di NH3 e H2]

L'ammoniaca (NH3) è ampiamente utilizzata in molti settori, dall'agricoltura alla farmaceutica, ed è recentemente emersa come un promettente vettore di energia carbon-free grazie al suo alto contenuto di idrogeno. Tradizionalmente, la produzione di ammoniaca si basa sul processo Haber-Bosch, che è estremamente dispendioso in termini di energia e contribuisce significativamente alle emissioni globali di CO2. La reazione di riduzione elettrochimica dell'azoto (e-NRR) offre un'alternativa sostenibile, convertendo l'azoto atmosferico (N2) in ammoniaca in condizioni ambientali, utilizzando l'acqua come fonte di idrogeno. Questa tesi esplora lo sviluppo e l'ottimizzazione di catalizzatori nanostrutturati per l'e-NRR, volti a migliorare l'efficienza catalitica, la selettività e la stabilità, con l'obiettivo di una produzione sostenibile di ammoniaca in condizioni ambientali. Lo studio si concentra sulla sintesi, caratterizzazione e test di catalizzatori basati sia su metalli nobili che non nobili, inclusi cristalli Fe-MIL, nanoparticelle d'oro e nanostrutture di ossido di ferro, esplorando anche l'impatto della pressione e della temperatura sulla produzione di ammoniaca. I cristalli Fe-MIL sono stati cresciuti su carbon cloth tramite sintesi diretta in soluzione in condizioni blande, ottenendo la massima resa di NH3 pari a 6,83x10−12 mol s−1 cm−2 a -0,47 V vs RHE e la massima efficienza faradica del 4,81% a -0,45 V vs RHE. Nanoparticelle di ossido di ferro con morfologie diverse sono state depositate su tessuto di carbonio tramite drop-casting e riduzione chimica. La morfologia e la dimensione delle particelle sono state ottimizzate per migliorare l'attività catalitica, e una procedura di attivazione elettrochimica è stata implementata per aumentare i siti attivi disponibili grazie a una maggiore quantità di vacanze di ossigeno e a un più alto rapporto Fe2+/Fe3+. Il catalizzatore con morfologia ottimizzata ha raggiunto una resa di produzione di NH3 pari a 26,44 μg h−1 mg(cat)−1 e un'efficienza faradica del 20,4% a -0,35 V vs RHE. Substrati porosi di Ni Foam sono stati funzionalizzati con una piccola quantità di oro (<0,1 mg cm−2), ottenendo un tasso di produzione di NH3 pari a 20 μg h−1 mg(cat)−1 a -0,23 V vs RHE e un'efficienza faradica del 5,22% a -0,14 V vs RHE. Un catalizzatore simile è stato utilizzato per valutare l'effetto della pressione e della temperatura, osservando miglioramenti delle prestazioni con l'aumento di temperatura e pressione. Un tasso di produzione di 6,73 μg h−1 cm−2 (84 μg h−1 mg(cat)−1) è stato ottenuto a 5 bar di N2 e a75°C, rappresentando un aumento di cinque volte rispetto alla resa ottenuta a pressione e temperatura ambiente. Inoltre, è stata valutata la performance di catalizzatori a base di rutenio su Ni Foam e C-felt per la produzione elettrochimica di idrogeno, ottenendo overpotentials di 22 mV e 51 mV a -10 mA cm−2, con pendenze di Tafel di 34 mV dec−1 e 55 mV dec−1 in elettrolita alcalino e acido, rispettivamente. Questo lavoro contribuisce all'avanzamento dei metodi di produzione di green fuel, supportando la transizione verso un futuro energetico più sostenibile.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2025

Author dc:creator

• TRANCHIDA, GIUSEPPE

Contributors dc:contributor

• CONDORELLI, Guglielmo Guido

• Electrochemistry
• Ammonia
• Hydrogen
• Green fuel
• Catalysi
• Iron-based nanoparticle
• Gold nanoparticle
• Fe-MIL crystal
• Ruthenium-based catalyst
• Electrochemical Nitrogen Reduction Reaction (e-NRR)
• Hydrogen Evolution Reaction (HER)
• Elettrochimica
• Ammoniaca
• Idrogeno
• Catalisi
• Nanoparticelle a base di ferro
• Nanoparticelle d'oro
• Cristalli di Fe-MIL
• Catalizzatori a base di rutenio
• Reazione di riduzione elettrochimica dell'azoto
• Reazione di evoluzione dell'idrogeno

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:NON PUBBLICO - Accesso privato/ristretto
• license uri:iris.PRI01

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/685437

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/685437