Obiettivo 2: Stoccaggio,
trasporto e trasformazione in derivati ed e-fuels
REFERENTE/I
Antonio Vita – CNR
antoniosalvatore.vita@icnr.it
Team di ricerca CNR-ITA: Antonio Vita, Cristina Italiano, Gabriel Marino, Minju Thomas, Domenico Maccarrone, Hafedh Brahim
Expertise: Sviluppo di formulazioni catalitiche, catalizzatori strutturati e reattori/prototipi per l’intensificazione e l’elettrificazione dei processi termochimici, per la produzione di metano, ammoniaca, e idrogeno.
Collaborazioni scientifiche principali:
Politecnico di Torino, Politecnico di Milano, Università degli Studi di Messina, Università della Calabria, Università di Salerno, TU/e – Eindhoven University of Technology, UPV – Universitat de Pais Vasco, UOWM- University of Western Macedonia, UCT – University of Cape Town.
SCHEMA ATTIVITA’
Attività CNR-ITAE antoniosalvatore.vita@cnr.it
Sviluppo di formulazioni e catalizzatori strutturati in forma di schiume a celle aperte, ottimizzati per il processo di sintesi e deidrogenazione dell’ammoniaca. Scale-up dei catalizzatori strutturati e delle metodologie di coating.
Risultati
Il metodo di dip/spin coating sviluppato si è dimostrato riproducibile e facilmente scalabile, i catalizzatori strutturati ottenuti presentano strati catalitici sottili, caratterizzati da un’elevata omogeneità e da una distribuzione uniforme lungo le pareti interne della struttura porosa con assenza di fenomeni di occlusione del network dei pori; lo stesso metodo, opportunamente ottimizzato, è stato applicato con successo anche a catalizzatori a base di Fe sviluppati (CNR-SCITEC) per la decomposizione dell’ammoniaca. I catalizzatori strutturati sono stati integrati in un reattore a menbrana (CNR-ITM) per la decomposizione di ammoniaca. Il pirocloro 4wt% Ru/La2Ce2O7 depositato sulla schiuma in SiC (Ø=2cm, L=5cm) ha mostrato performance promettenti raggiungendo a 500°C e 30bar produttività pari a 91.74 mmol NH3 gcat.-1h-1.
Figura 1
Schiuma in SiC (Ø=2cm, L=5cm) attivata con la metodologia di dip/spin coating, Cat.: 4wt% Ru/La2Ce2O7 (0,10g/cm3, 1,64g)
Figura 2
Schema delle fasi del processo di attivazione del supporto strutturato per dip/spin coating
Team di ricerca CNR-SCITEC: Vladimiro Dal Santo, Emile Darron Maggott, Nicola Scotti, Filippo Bossola
Expertise: Sviluppo di catalizzatori eterogenei nanostrutturati per la produzione di idrogeno da fonti derivanti da biomassa e da carrier liquidi quali ammoniaca.
Fig. 3 Strumentazione disponibile al CNR-SCITEC
Attività CNR-SCITEC vladimiro.dalsanto@cnr.it
Sintesi e caratterizzazione di catalizzatori eterogenei nanostrutturati a base di ferro e supportati su carbone contente azoto. Valutazione delle prestazioni catalitiche nella reazione di decomposizione di ammoniaca pura a idrogeno ed azoto.
Risultati
I catalizzatori sviluppati a base di Fe hanno dimostrato attività nell’intervallo di temperatura tra i 450 °C e i 600 °C e stabilità per 20 ore di reazione a 500 °C.
Figura 3 risultati
Team di ricerca CNR-ICCOM: Theory group at CNR-ICCOM&IPCF: Alessandro Fortunelli, Jacopo Lupi, Thantip Roongcharoen (CNR-ICCOM), Luca Sementa (CNR-IPCF)
Expertise: tecniche di (Reactive) Global Optimization e modelli MachineLearning-accelerated per la catalisi su nanoparticelle metalliche
Collaborazioni scientifiche principali: California Institute of Technology (USA); Cambridge University (UK)
CNR ICCOM e collaboratori
Attività CNR- ICCOM alessandro.fortunelli@cnr.it
Modellazione Teorico-Computazionale: modelli atomistici di siti catalitici, cammini di reazione e diagrammi di energia libera per la decomposizione/sintesi di ammoniaca su catalizzatori a base di Rutenio e High Entropy Alloys, interazione catalizzatore/supporto, modellazione multi-scala temporale e spaziale
Risultati
La High Entropy Alloy (Fe25Co25Ni25Si12.5Al12.5), per la quale è stato sviluppato un metodo di screening accelerato per individuare le strutture cataliticamente più efficienti, promette di dare luogo ad una attività superiore a quella dei catalizzatori attualmente in uso
Figura 4
risultati
Team di ricerca CNR-ITM (Membrane reactor development) : Adele Brunetti, Giuseppe Barbieri, Erasmo Napolitano, Elisa Avruscio
Expertise: Progettazione, sviluppo e analisi di reattori catalitici a membrana. Studio di fenomeni di trasporto di sistemi a membrana.
CNR ITM e collaboratori
Attività CNR ITM
Valutazione delle proprietà di trasporto di membrane a base di Pd-Ag per loro successiva integrazione in reattore catalitico a membrana. Sviluppo e analisi di prestazioni di reattori catalitici a membrana integrati con catalizzatori innovativi sviluppati dai partner della linea di ricerca.
Risultati
Lo studio ha dimostrato l’efficacia del reattore a membrana con membrana Pd-Ag per la decomposizione dell’ammoniaca, grazie alla rimozione selettiva e continua dell’idrogeno che consente di superare i limiti termodinamici dei reattori tradizionali. Alle varie condizioni di processo, il reattore a membrana ha mostrato prestazioni sempre migliori del tradizionale raggiungendo conversioni superiori al 91% e recupero di H₂ > 90%, con purezza del permeato > 90%. Il reattore a membrana ha mostrato una superiorità costante rispetto al TR, con rapporti di conversione fino a 4, soprattutto alle pressioni operative più elevate.
Figura 5
Confronto delle prestazioni del reattore a membrana rispetto al reattore tradizionale
Figura 6 Schema di reattore a membrana impaccato utilizzato per la deidrogenazione di NH3; Risultati di conversione e recupero di idrogeno puro
Team di ricerca CNR STEMS: Mara de Joannon, Pino Sabia, Maria Virginia Manna, Giovanni Battista Ariemma, Giovanni Fabozzi, Davide Amato, Ragucci Raffaele.
Attività CNR STEMS
- Individuazione e/o realizzazione dei reattori e delle stazioni di prova per test catalitici di sintesi e decomposizione catalitica e non dell’ammoniaca, individuazione dei protocolli di test dei materiali e delle condizioni operative (a)
- Test dei materiali con proprietà catalitiche e ottimizzazione dei parametri operativi per ottenere un’elevata resa di ammonica e un’elevata produttività di idrogeno dalla decomposizione di NH3 (b)
Figura 7
Reattori Modello 0D-1D per lo studio delle cinetiche di ossidazione/pirolisi di miscele ammoniaca/ossigeno/diluente e ammoniaca/diluente (a); Valutazione effetti catalitici materiali e cinetiche eterogenee di superficie sviluppate da STEMS-CNR (b)
- Caratterizzazione cinetica sperimentale della deidrogenazione termica ed autotermica (b, c)
- Modello cinetico ottimizzato della deidrogenazione termica ed autotermica (b)
- Sviluppo di una modellazione multi-scala del processo catalitico e non di decomposizione di ammoniaca (a, d)
La modellazione CFD è stata realizzata con il modello ottimizzato, ridotto di taglia mediante metodi di riduzione DGR (Direct Graph Reduction)
Il massimo della decomposizione autotermica della ammoniaca si ha per miscele NH3/O2 con un rapporto di equivalenza pari a 2.5
Fig. 8
Prove sperimentali in un reattore a forte ricircolo interno (a), Modello cinetico ottimizzato (b), prove numeriche in un reattore modello per la identificazione di condizioni ottimali di auto-reforming (c), simulazioni CFD in un reattore a forte ricircolo interno (d)
Documenti
Articoli
Roongcharoen T., Conter G., Sementa L., Melani G., Fortunelli A. (2024) Machine-Learning-Accelerated DFT Conformal Sampling of Catalytic Processes. J. Chem. Theory Comput. 20(21), 9580-9591, http://dx.doi.org/10.1021/acs.jctc.4c00643; cover: https://pubs.acs.org/toc/jctcce/20/21
Shen, Y.; Sementa, L.; Johnson, D. D.; Fortunelli, A.; An, Q.; Goddard, W. A. III (2025) Revolutionizing Ammonia Synthesis: FeCoNiAlSi High-Entropy Alloy Catalyst for Low-Pressure, Low-Temperature Applications. J. Am. Chem. Soc. 147(17), 14541-14553; http://dx.doi.org/10.1021/jacs.5c00606
Lupi, J.; Roongcharoen, T.; Sementa, L.; Cicogna, F.; Nanni, A.; Fortunelli, A. (2025) Ammonia Evolution in Glycine Pyrolysis via Ionic-Pair Reaction Mechanisms. J. Am. Chem. Soc. (in press); http://dx.doi.org/10.1021/jacs.5c08868
Roongcharoen, T.; Conter, G.; Melani, G.; Sementa, L.; Fortunelli, A. (2025) Extrapolation Techniques in Database Construction for Machine-Learning Potentials Achieving Sub-Chemical Accuracy in Sampling Conformal Funnels in Catalytic Processes. J. Chem. Theory Comput. 21(21), 11164-11178, https://doi.org/10.1021/acs.jctc.5c00860, cover: https://pubs.acs.org/toc/jctcce/21/21
Ghasemzadeh, K.; Torabi, T.; Yousefi Amiri, T.; Fortunelli, A.; Iulianelli, A. (2024) Parametric and sensitive analysis of Pd-Ag MR performance in biogas reforming to generate decarbonized hydrogen by CFD-RSM method, Fuel, 365, 131205. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.131205
E.S. Napolitano, C. Italiano, A. Brunetti, M.Thomas , A. Vita, G. Barbieri, Enhanced ammonia decomposition using a Pd-Ag membrane reactor for high-purity hydrogen production, Fuel Processing Technology 272 (2025) 108203, https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2025.108203.
Manna, M. V., Ragucci, R., de Joannon, M., & Sabia, P. (2024). The interaction between NH3 and CH4 oxidation chemistry: A comprehensive study through combustion regimes and thermokinetic instabilities. Fuel, 371, 131868. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.131868
