The growing accumulation of polyolefin waste presents serious environmental challenges, as most polyolefins derive from fossil resources and are resistant to degradation. Current recycling methods, such as mechanical recycling, are limited by the gradual deterioration of plastic properties, reducing the material's potential for reuse. Chemical recycling, particularly catalytic hydrogenolysis, offers a more sustainable alternative by breaking down polymers into valuable products like fuels or chemicals with properties comparable to virgin materials. This thesis focuses on the development and characterization of Ru-based catalysts supported on three materials: Zr-SBA-15, Al-SBA-15, and tetragonal zirconia (t-ZrO₂). The synthesis and characterization of the two SBA-15 supports were performed in-house, while t-ZrO₂ was supplied by the University of Bologna. Ruthenium was deposited on the supports using the same protocol to ensure comparability across catalysts. Comprehensive characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), N₂ adsorption-desorption isotherms, transmission electron microscopy (TEM), and Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy, were employed to assess the textural and surface properties of the catalysts. Particular attention was given to the impact of support porosity and acidity on catalyst performance. The results show that the physicochemical properties of the supports significantly affect the activity, selectivity, and stability of the Ru-based catalysts in hydrogenolysis processes. This study is part of the PRIN2022 CUPID project, which aims to develop sustainable methods for upcycling polyolefin waste into high-value products, promoting a circular economy. The findings provide insights into optimizing catalyst design for plastic waste valorization, demonstrating the potential of Ru-based catalysts to transform polyolefins into valuable alkanes under mild conditions. Future research could explore additional support modifications to further enhance catalytic efficiency and broaden the scope of recyclable plastic streams.
La crescente accumulazione di rifiuti di poliolefine rappresenta una seria sfida ambientale, poiché la maggior parte di queste plastiche deriva da risorse fossili ed è resistente alla degradazione. I metodi di riciclo attualmente utilizzati, come il riciclo meccanico, presentano limiti dovuti al progressivo deterioramento delle proprietà del materiale, riducendone la possibilità di riutilizzo. Il riciclo chimico, in particolare l'idrogenolisi catalitica, offre un'alternativa più sostenibile, permettendo la conversione dei polimeri in prodotti di valore, come carburanti o composti chimici, con proprietà paragonabili a quelle dei materiali vergini. Questa tesi si concentra sullo sviluppo e la caratterizzazione di catalizzatori a base di rutenio supportati su tre materiali: Zr-SBA-15, Al-SBA-15 e zirconia tetragonale (t-ZrO₂). La sintesi e caratterizzazione dei due supporti SBA-15 sono state condotte internamente, mentre la t-ZrO₂ è stata fornita dall’Università di Bologna. Il rutenio è stato depositato su tutti i supporti utilizzando lo stesso protocollo, garantendo la comparabilità tra i catalizzatori. Sono state impiegate diverse tecniche di caratterizzazione, tra cui diffrazione a raggi X (XRD), isoterme di adsorbimento-desorbimento di N₂, microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR), per valutare le proprietà strutturali e superficiali dei catalizzatori. Particolare attenzione è stata posta sull’impatto della porosità e dell’acidità dei supporti sulle prestazioni catalitiche. I risultati mostrano che le proprietà fisico-chimiche dei supporti influenzano significativamente l’attività, la selettività e la stabilità dei catalizzatori a base di Ru nei processi di idrogenolisi. Questo studio fa parte del progetto PRIN2022 CUPID, che mira a sviluppare metodi sostenibili per valorizzare i rifiuti di poliolefine trasformandoli in prodotti ad alto valore, promuovendo un’economia circolare. I risultati forniscono indicazioni utili per ottimizzare la progettazione dei catalizzatori per la valorizzazione dei rifiuti plastici, dimostrando il potenziale dei catalizzatori a base di rutenio nel convertire poliolefine in alcani preziosi in condizioni miti. Studi futuri potrebbero esplorare ulteriori modifiche dei supporti per migliorare l’efficienza catalitica e ampliare il numero di flussi di plastica riciclabili.
Supported ruthenium nanoparticles for hydrogenolysis of polyolefin waste: the role of the support in affecting the properties of the metal phase
GIACCHERO, ARIANNA
2023/2024
Abstract
La crescente accumulazione di rifiuti di poliolefine rappresenta una seria sfida ambientale, poiché la maggior parte di queste plastiche deriva da risorse fossili ed è resistente alla degradazione. I metodi di riciclo attualmente utilizzati, come il riciclo meccanico, presentano limiti dovuti al progressivo deterioramento delle proprietà del materiale, riducendone la possibilità di riutilizzo. Il riciclo chimico, in particolare l'idrogenolisi catalitica, offre un'alternativa più sostenibile, permettendo la conversione dei polimeri in prodotti di valore, come carburanti o composti chimici, con proprietà paragonabili a quelle dei materiali vergini. Questa tesi si concentra sullo sviluppo e la caratterizzazione di catalizzatori a base di rutenio supportati su tre materiali: Zr-SBA-15, Al-SBA-15 e zirconia tetragonale (t-ZrO₂). La sintesi e caratterizzazione dei due supporti SBA-15 sono state condotte internamente, mentre la t-ZrO₂ è stata fornita dall’Università di Bologna. Il rutenio è stato depositato su tutti i supporti utilizzando lo stesso protocollo, garantendo la comparabilità tra i catalizzatori. Sono state impiegate diverse tecniche di caratterizzazione, tra cui diffrazione a raggi X (XRD), isoterme di adsorbimento-desorbimento di N₂, microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR), per valutare le proprietà strutturali e superficiali dei catalizzatori. Particolare attenzione è stata posta sull’impatto della porosità e dell’acidità dei supporti sulle prestazioni catalitiche. I risultati mostrano che le proprietà fisico-chimiche dei supporti influenzano significativamente l’attività, la selettività e la stabilità dei catalizzatori a base di Ru nei processi di idrogenolisi. Questo studio fa parte del progetto PRIN2022 CUPID, che mira a sviluppare metodi sostenibili per valorizzare i rifiuti di poliolefine trasformandoli in prodotti ad alto valore, promuovendo un’economia circolare. I risultati forniscono indicazioni utili per ottimizzare la progettazione dei catalizzatori per la valorizzazione dei rifiuti plastici, dimostrando il potenziale dei catalizzatori a base di rutenio nel convertire poliolefine in alcani preziosi in condizioni miti. Studi futuri potrebbero esplorare ulteriori modifiche dei supporti per migliorare l’efficienza catalitica e ampliare il numero di flussi di plastica riciclabili.| File | Dimensione | Formato | |
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