Catalizzatori nanostrutturati per la conversione sostenibile della CO2

In the recent years, different strategies have been studied to mitigate the impact of CO2 emissions on the global environment. In particular, CO2 reduction has emerged as a promising approach for recycling this gas and the direct conversion to fuels or chemicals. Despite great improvements in the last decades, the recycling of CO2 still suffers a mismatch between the lab and the industrial scales due to the high costs of the entire process and the lifetime of the catalysts. Catalysts play a pivotal role in CO2 reduction applications, and their characteristics, such as catalytic activity, selectivity, and long-term stability, are crucial for enabling the feasibility of this process at an industrial scale. Nanostructuration has been identified as a key factor in tailoring the morphology at the nanoscale and enhancing the overall performance of catalyst materials. The presented work focuses on the development and characterization of nanostructured catalysts for CO2 reduction. The use of advanced synthetic techniques as well as morphological, textural and (electro)chemical characterizations allowed to optimize various catalysts for different applications at the forefront of research. Cu-based catalysts were explored toward the eCO2RR. Firstly, well-defined nanoparticles of Cu2O were synthetized and widely characterized toward eCO2RR, revealing different catalytic behavior and a low selectivity toward a particular product. Moreover, operando XAS characterization confirmed a rapid reduction to metal Cu. To overcome these limitations, the study explores the formation of heterostructures and the utilization of 2D materials like g-C3N4, RGO and MoS2, leading to an improved catalytic selectivity and productivity. On the other hand, the preparation of bimetallic CuSn alloys via an easy and scalable urea glass route can open new perspectives for the affordability of this process at an industrial-scale level. Another approach to exploit nanostructuration for the reduction of CO2 investigated the employing of TiN nanotubes decorated with metal nanoparticles as catalyst for gas-phase photothermal reduction of CO2. Further considerations regarding optimization and environmental impact are fundamental to enable large-scale CO2 reduction processes. Continued research and development in these areas are essential to bridge the gap between laboratory-scale advancements and industrial-scale implementation of CO2 recycling technologies.

Negli ultimi anni, diverse strategie sono state studiate al fine di mitigare l'impatto delle emissioni di CO2 sull'atmosfera. In particolare, la riduzione di CO2 risulta essere un promettente approccio per il riuso di questo gas e la sua diretta conversione in combustibili o prodotti chimici. Nonostante i grandi miglioramenti degli ultimi decenni, questi metodi presentano ancora una differenza tra l’utilizzo ai fini di ricerca e l’applicabilità a livello industriale a causa degli alti costi dell'intero processo e della durata dei catalizzatori. I catalizzatori svolgono un ruolo fondamentale in questa tipologia di applicazioni e le loro caratteristiche, come l'attività catalitica, la selettività e la stabilità nel tempo, sono aspetti cruciali per permettere l’utilizzo di questi processi a livello industriale. La nanostrutturazione è un fattore chiave per ottimizzare la morfologia del catalizzatore su scala nanometrica e migliorarne le prestazioni complessive. Il lavoro presentato verte sullo sviluppo e la caratterizzazione di catalizzatori nanostrutturati per la riduzione di CO2. L'uso di tecniche sintetiche avanzate e caratterizzazioni morfologiche, tessiturali e (elettro)chimiche, ha permesso di ottimizzare vari catalizzatori per diverse applicazioni. In particolare, catalizzatori a base di Cu sono stati studiati per il processo di riduzione elettrochimica della CO2 (eCO2RR). In primo luogo, nanoparticelle di Cu2O dalla forma specifica sono state sintetizzate e studiate come catalizzatori nel processo di eCO2RR, mostrando un diverso comportamento catalitico e una bassa selettività verso un particolare prodotto della riduzione. Inoltre, la caratterizzazione XAS in operando ha confermato una rapida riduzione del materiale a Cu metallico. Per superare questi limiti, lo studio esplora la formazione di eterostrutture e l'utilizzo di materiali 2D come g-C3N4, RGO e MoS2, mostrando una migliore selettività catalitica e produttività nei confronti di determinati prodotti. Inoltre, la sintesi di leghe di CuSn bimetalliche attraverso un metodo facile e scalabile come il cosiddetto “Urea Glass Route” può aprire nuove prospettive per l’utilizzo di questo processo a livello industriale. Nanotubi di TiN decorati con nanoparticelle metalliche sono infine stati utilizzati come catalizzatori per la riduzione fototermica di CO2. Ulteriori considerazioni relative all'ottimizzazione e all'impatto ambientale sono fondamentali per consentire processi di riduzione di CO2 su larga scala. Il continuo sviluppo in queste aree è essenziale per colmare il divario tra i progressi nella ricerca e l'implementazione su scala industriale delle tecnologie di riciclaggio della CO2.