Desenvolvimento de catalisadores de platina suportada em materiais carbonáceos para a reação WGS

Abstract

Nos últimos anos, devido à necessidade de garantir o suprimento de energia através de tecnologias de conversão de energia mais limpas e mais eficientes, o interesse pela reação de deslocamento de monóxido de carbono com vapor d´água (WGSR, water gas shift reaction) tem aumentado, especialmente devido ao seu papel nas células a combustível. A fim de obter materiais alternativos para essa reação, foram desenvolvidos catalisadores de platina suportada em matrizes carbonáceas funcionalizadas, tais como nanotubos de carbono, carvões ativados e carbono nanoestruturado. As amostras de carvão ativado foram obtidas por meio de ativação química, enquanto o carbono nanoestrururado foi sintetizado pela técnica de moldagem sequencial. Foram empregads nanotubos de carbono comerciais. Esses materiais passaram por etapas de purificação e funcionalização com hidrogênio, dietilamina e ácido acético. A platina foi adicionada aos suportes via impregnação úmida incipiente. Os catalisadores foram avaliados na WGSR a 1 atm e foram determinadas as velocidades de reação, as energias de ativação e as ordens de reação utilizando uma mistura de processo contendo 6,8% CO, 8,5% CO2, 37,0% H2, 22,0 H2O, condição que simula um reformador de uma célula a combustível. Concluiu-se que os métodos de purificação e funcionalização empregados promoveram: (i) a redução da estabilidade térmica dos sólidos; (ii) a eliminação e/ou redução de impurezas; (iii) a incorporação de grupos funcionais superficiais e (iv) a diminuição do grau de cristalinidade e da área superficial específica dos suportes. Estes resultados se devem, principalmente, à criação de defeitos nos materiais em decorrência da inserção dos grupos superficiais e/ou ao colapso parcial/total das estruturas porosas dos sólidos. Todos os catalisadores apresentaram teores de platina próximos aos nominais e foram ativos na reação de WGS. Foi constatado que o tipo do material carbonáceo e as funcionalizações influenciaram a atividade catalítica da platina. Nos catalisadores suportados em nanotubos de carbono, a funcionalização teve uma influência negativa na performance das amostras. Por outro lado, nos carvões ativados e nos carbonos nanoestruturados houve um aumento da atividade catalítica devido aos processos de purificação e funcionalização.

In the last years, the interest for the water gas shift reaction (WGSR) have increased especially due to the need of supplying energy through technologies cleaner and more efficient, and to its role in fuel cells. In order to obtain alternative materials for this reaction, catalysts made of platinum supported on functionalized carbon matrices, such as carbon nanotubes, activated carbons and nanostructured carbon were studied in this work. Activated carbon was obtained by chemical activation, while nanostructured carbon was synthesized by the sequential template technique and commercial carbon nanotubes were employed. These different carbonaceous materials were purified and functionalized with hydrogen, diethylamine and acetic acid. Platinum was added to the supports via incipient wet impregnation. The catalysts were evaluated in the WGSR at 1 atm and reaction rates, activation energies and reaction orders were determined using a process gas containing 6.8% CO, 8.5% CO2, 37.0% H2, 22.0 H2O, simulating a reformer of a fuel cell. Based on all characterizations carried out in this study, it was concluded that the purification and functionalization methods employed in the work promoted: (i) the reduction of the thermal stability of the solids; (ii) the elimination and/or reduction of impurities; (iii) the incorporation of surface functional groups and (iv) the decrease in the degree of crystallinity and the specific surface area of the supports. These results are mainly due to the creation of defects in materials due to the insertion of the surface groups and/or partial/total collapse of the porous structures. All the catalysts showed platinum contents close to the nominal value and were active in the WGS reaction. It was found that the type of carbonaceous material and the type functionalization substantially influenced the catalytic activity of platinum. In the series of catalysts supported on carbon nanotubes, the functionalization had a negative influence on the performance of the samples. On the other hand, in the series of activated carbons and nanostructured carbons there was an increase in catalytic activity due to purification and functionalization processes.