Determinação de propriedades e estruturas de catalisadores de sulfeto de molibdênio suportados em MgO por cálculos ab initio

Associada à redução das emissões veiculares, o principal processo de interesse no hidrotratamento é a hidrodessulfurização, HDS, na qual o átomo de enxofre presente nas moléculas organosulfuradas é adsorvido no catalisador e reage com hidrogênio, formando sulfeto de hidrogênio (H2S) e os hidrocarbon...

Nível de Acesso:openAccess
Publication Date:2015
Main Author: Antunes, Florence Pereira Novais lattes
Orientador/a: Leitão, Alexandre Amaral lattes
Banca: Santos, Helio Ferreira dos lattes, Sant'Ana, Antonio Carlos lattes, Ramalho, Teodorico de Castro lattes, Capaz, Rodrigo Barbosa lattes
Format: Tese
Language:por
Published: Universidade Federal de Juiz de Fora
Programa: Programa de Pós-graduação em Química
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Assuntos em Português:
DFT
CUS
HDS
Áreas de Conhecimento:
Online Access:https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/317
Resumo Português:Associada à redução das emissões veiculares, o principal processo de interesse no hidrotratamento é a hidrodessulfurização, HDS, na qual o átomo de enxofre presente nas moléculas organosulfuradas é adsorvido no catalisador e reage com hidrogênio, formando sulfeto de hidrogênio (H2S) e os hidrocarbonetos livres de heteroátomos. As reações de HDS são exotérmicas e irreversíveis, sendo que seu mecanismo envolve reações de hidrogenólise – quebra da ligação CS – e de hidrogenação – saturação das duplas ligações. Existem divergências na literatura sobre o mecanismo dessas reações. O interesse pela área de materiais relacionados às reações deste tipo e à catálise heterogênea está em constante expansão devido à possibilidade de produzir diversos tipos de materiais de grande aplicabilidade e custos menos onerosos. Os estudos sobre HDS buscam o desenvolvimento de catalisadores com maior capacidade para promover uma remoção mais efetiva do enxofre, além de esclarecimentos referentes ao seu mecanismo. Os catalisadores mais comumente usados são compostos que possuem estruturas de MoS2 como fase ativa. Apesar de possuir atividade catalítica na forma mássica, o MoS2 geralmente é suportado em uma superfície com extensa área como suporte, geralmente óxidos, sendo a γalumina a mais utilizada. Existem diversos estudos recentes reportando uso de outros tipos de óxidos, como TiO2, sílica, zeólitas, ZrO2, MgO e óxidos mistos. No presente trabalho, é feita a proposta de dois tipos de estruturas de catalisadores de sulfeto de molibdênio suportados em MgO, através de cálculos ab initio. É de aceitação geral, hoje em dia, que a atividade dos catalisadores de HDS está fundamentalmente ligada à existência de vacâncias aniônicas de enxofre, situadas, predominantemente, nas bordas dos cristalitos da fase ativa, já que o enxofre dos planos basais está muito fortemente ligado para permitir a formação destas vacâncias. Levandose em conta que a formação de vacâncias é uma etapa crucial para HDS, procuramos obter informações estruturais mais precisas que auxiliem no entendimento dessa etapa da reação. Para isso mostramos o estudo da formação de sítios coordenativamente insaturados na borda do sulfeto de molibdênio suportado em MgO. Além disso, discutimos a interação do sulfeto com o suporte, variando o número de camadas de sulfeto e a presença de átomo promotor de cobalto na borda. Com isso, procuramos fornecer informações estruturais de modelos teóricos de MoS2 suportado em MgO utilizando DFT a fim de contribuir com estudos nesse contexto. Para isso, foi calculada a energia de formação de vacâncias, diferença da densidade de cargas eletrônicas, pDOS e análise das cargas de Bader. Concluímos que tanto o suporte quanto o átomo promotor influenciam na formação de vacâncias na borda do sulfeto de molibdênio suportado em MgO. A influência dessas variáveis está em dependência com o tamanho da lamela, proporções de átomos de enxofre de borda e tipo de interação do sulfeto com o suporte. Em geral podemos afirmar que os dois agem de modo a diminuir a energia de formação de vacâncias, contribuindo para a melhora dessa etapa.
With respect to the reduction of pollutant emission of vehicles, the main process of hydrotreatment is the hydrodesulfurization, HDS, in which the sulfur atom of the organosulfur molecules is adsorved on the catalyst and reacts with hydrogen forming hydrogen sulfide (H2S) and heteroatomfree hydrocarbons. The HDS reactions are exothermic and irreversible and their mechanisms involve hydrogenolysis reactions – the break of CS bond – and the hydrogenation – saturation of double bonds. There are many divergences in the literature about the mechanism of these reactions. The interest about these types of reactions and the heterogenous catalysis in the material field is in constant expansion due to the possibility of producing several types of materials with great applicabilities and inferior costs. The studies about HDS seek the development of catalysts with a higher capacity to promote a more effective removal of sulfur besides the elucidation of their mechanisms. The catalysts more commonly used are compounds which possess MoS2 structures as the active phase. Even though it has catalytic activity in the bulk structure, the MoS2 is generally supported on a surface with an extended area, usually oxides such as alumina, which is the most utilized. There are many recent studies γ reporting the use of other types of oxides such as TiO2, silica, zeolites, ZrO2, MgO and mixed oxides. In this present work, a proposition of two types of catalyst structures of molybdenum sulfides supported on MgO is done by means of ab initio calculations. It is commonly accepted nowadays that the activity of HDS catalysts is greatly related to the existence of anionic vacancies of sulfur located majorly on the edges of the active phase, since the sulfurs of the basal planes are strongly bonded to permit the formation of these vacancies. Taking into account that the vacancy formation is a crucial step for HDS, we sought to obtain more precise structural information to assist the understanding of this reaction step. Thereby, we presented the study of the formation of the coordenative unsaturated sites on the edge of the molybdenum sulfide supported on MgO. Moreover, we discussed about the interaction between the sulfide and the support by varying the amount of the sulfide layers and the presence of the cobalt atom on the edge. Thereby, we sought to provide structural information on the theoretical models of MoS2 supported on MgO using DFT in order to contribute with studies in this context. In order to do that, we calculated the energy of the vacancy formation, the difference of the charge densities, pDOS and Bader charge analysis. We concluded that the support and the promoting atoms influence the formation of the vacancies on the edge of the molybdenum supported on MgO. The influence of these variables depends on the size of the layer, the proportions of the sulfur atoms on the edge and the type of the interaction of the sulfide on the support. In short, we can confirm that both act to decrease the energy of the vacancy formation, thus contributing to the improvement of this step.