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Title: Desenvolvimento de catalisadores de níquel e de cobre obtidos através de hidrotalcitas para a purificação de hidrogênio
Authors: Meza Fuentes, Edgardo
???metadata.dc.contributor.advisor???: Varela, Maria do Carmo Rangel Santos
Keywords: Hidrogênio;Hidrotalcita;Níquel;Cobre;Conversão de Monóxido de Carbono;Hydrogen;Hydrotalcites;Nickel;Copper;WGS
Issue Date: 6-Sep-2016
Abstract: Os problemas ambientais gerados pelo uso de combustíveis de origem fóssil e o desenvolvimento de novas tecnologias para obtenção de energia a partir do hidrogênio, têm renovado o interesse pela reação de deslocamento de deslocamento de monóxido de carbono com vapor d’água. Esta reação é usada para a eliminação do monóxido de carbono resultante da reforma de gás natural e para aumentar a produção de hidrogênio. Os catalisadores usados nesta reação estão restringidos a ser usados em condições especificas de temperatura, devido a fatores cinéticos e termodinâmicos. Isto tem motivado o estudo de sólidos que possam ser usados em diversas condições de temperatura e que apresentem atividade e seletividade elevadas. Neste trabalho foram preparados catalisadores a base de níquel e de cobre, obtidos a partir de precursores do tipo hidrotalcita; compostos que geram materiais com alta área superficial específica, homogeneidade das fases presentes e pequenas partículas de óxidos ou de metais. Os sólidos sintetizados foram caracterizados pelas técnicas de espectroscopia de absorção atômica, analise elementar de carbono, difração de raios X, espectroscopia no infravermelho, termogravimétria e analise diferencial de temperatura, espectroscopia Raman, medida da área superficial especifica e de porosidade, redução termoprogramada, medida de área metálica de cobre e avaliadas na reação de deslocamento de monóxido de carbono com vapor d’água. A estrutura do tipo hidrotalcita foi observada em todos os sólidos. A presença e o conteúdo de alumínio e do zinco nestes materiais ocasionam variações nos parâmetros de rede das estruturas do tipo hidrotalcita, as quais determinam as propriedades texturais e estruturais dos sólidos calcinados. A incorporação de cátions de alumínio na rede do óxido de níquel dificulta os processos de redução deste óxido, mas, a adição do zinco diminui esse efeito. Os catalisadores de cobre apresentaram baixas áreas superficiais específicas, não sendo observada a incorporação de alumínio na rede do óxido de cobre. Os catalisadores de níquel e alumínio apresentaram elevadas áreas superficiais especificas, enquanto que os catalisadores de cobre apresentaram as áreas superficiais especificas mais baixas. Os sólidos contendo níquel apresentam um comportamento mesoporosos, enquanto que aqueles contendo cobre apresentaram meso e macroporos em sua estrutura. Os catalisadores contendo níquel e alumínio são ativos para a reação em estudo, alcançando-se conversões do 100 %, mas também produzem metano. A adição de zinco promove a formação de partículas menores de oxido de níquel, minimizando a produção de metano. Os catalisadores de cobre são menos ativos. O solido mais promissor é aquele contendo 37% de níquel, 37 % de zinco e 25 % de alumínio, que conduz à conversão do 100 % de monóxido de carbono e 100 % de seletividade a dióxido de carbono, mostrando-se também estável na temperatura de estudo
The environmental problems coming from the use of fossil fuels, as well as the development of new technologies for energy generation from hydrogen, have renewed the interest for the water gas shift reaction (WGSR). This reaction is used for removing carbon monoxide produced from the stream produced during the natural gas reforming; at the same time, the production of hydrogen is increased. The catalysts used for this reaction are limited by kinetic and thermodynamic factors. This has led to the need of searching solids that can be used at various temperatures, showing high activity and selectivity towards carbon dioxide. In order to find new catalysts for this reaction, nickel and copper-based catalyst were prepared in this work, from hydrotalcite-like precursors. These compounds are expected to produce materials with high specific surface area, homogeneity of phases and small particles of oxides or metals, after the calcination and reduction processes. Samples were prepared from aluminum, zinc and nickel (or copper) nitrates and characterized by atomic absorption spectroscopy, X-ray diffraction, infrared spectroscopy, thermogravimetry, Raman spectroscopy, specific surface area and porosity measurements, temperature-programmed reduction and dispersion measurements. The catalysts were evaluated in the WGSR at 1 atm in a range of 150 to 450 oC. The production of hydrotalcite-type structure was noted for all solid. The presence and the content of aluminum and zinc caused changes in the cell parameters of hydrotalcite-type structure, which determined the structural and textural properties of solids after calcination. Aluminum cations were incorporated into the crystal lattice of nickel oxide, hindering its reduction of this oxide, but the addition of zinc decreased this effect. After calcination, the copper-containing catalysts showed low specific surface areas, and no aluminum cation was observed into the copper oxide lattice. Aluminum and nickel-based sample showed the highest specific surface area, while the copper-containing solids showed the lowest ones. The nickel-based solids were mesoporous with some macropores while the copper-based ones were macroporous. The nickel and aluminum-based catalyst was active for WGSR and achieved 100 % of conversion, but produced also methane. The addition of zinc promotes the formation of small nickel oxide particles that minimized methane production. The copper-based catalysts were less active than those of nickel. The most promising catalyst for WGSR was the sample with 37 % of nickel, 37 % of zinc and 25 % of aluminum which was 100 % selective towards hydrogen and led to 100 % of conversion, being stable in the studied temperature range.
URI: http://repositorio.ufba.br/ri/handle/ri/20271
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