Catalisadores bimetálicos para reforma a seco de metano e anodos de células a combustível de óxido sólido

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2018
Autor(a) principal: Souza, Glageane da Silva
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal da Paraíba
Brasil
Engenharia de Materiais
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
UFPB
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/13406
Resumo: In the search for renewable and environmentally friendly energy sources, hydrogen production and solid oxide fuel cell (SOFC) research have been prominent. Nickel and gadolinia doped ceria (Ce1-xGdxO2-? - CGO) based anodes have presented good electrochemical performance at intermediate temperatures (600-800 °C), allowing the direct oxidation of gases with hydrocarbons. Precursors of nickel, copper and cobalt bimetallic cermets (ceramic-metal composites) were obtained by the one-step synthesis method to evaluate their electrochemical performances as SOFCs anodes and to evaluate their catalytic behavior in dry methane reforming. NiO-Ce0.9Gd0.1O1.95 (NiO-CGO), NiCuO-CGO and NiCoO-CGO composite powders had their catalytic activities in reforming the methane, for hydrogen production, evaluated in the temperature range 400-800 ºC. These materials were also studied as solid oxide fuel cell anodes. Symmetrical anode/electrolyte/anode cells were prepared by screen-printing. The electrochemical activity was performed under typical anode operating conditions (reducing atmosphere in the temperature range between 650 and 750°C), using hydrogen and biogas as fuels. X-ray diffraction (XRD) analysis of powders calcined at 700 °C confirmed the attainment of NiO (NaCl-type), Co3O4 (spinel-type), CuO (tenoritetype) and Ce0.9Gd0.1O1.95 (fluorite-type). The crystallite size analysis indicated the obtaining of nanometric powders. The cobalt-based samples presented specific area values (evaluated by the BET method) higher than those of copper-based samples. Temperature programmed reduction (TPR) analysis indicated that the reducibility of the Ni-containing phase and its interaction with the CGO support are influenced by the presence and amount of cobalt and copper. The sample Ni0.2Co0.8O-CGO (NiCo0.8) showed high reduction capacity and strong metal/support interaction. The Rietveld refinement analysis for the reduced catalysts confirmed the presence of the Ni-Co alloy. These factors played a key role in enhancing catalytic activity and suppressing carbon deposition. The characterization of the catalysts after reaction by thermogravimetry and differential scanning calorimetry (TG-DSC) showed a better resistance to carbon deposition for NiCo catalysts. These catalysts showed higher conversions of CH4 and CO2 than NiCu and NiCGO catalysts. The NiCo0.8 catalyst showed a slightly higher CH4 conversion, better reaction selectivity between 600 and 750°C and better resistance to carbon deposition than Ni0.6Co0.4O-CGO (NiCo0.4). The methane reforming reaction with CO2 seems to be more favorable in the presence of the NiCo0.8 catalyst. The electrochemical characterization using impedance spectroscopy showed that the same electrode presents different electrochemical behaviors in hydrogen and biogas. In terms of overall behavior, NiCu0.8 is better than CuCGO in hydrogen. The inverse occurs in biogas, where the CuCGO anode performance is twice that of NiCu0.8. The calculation of the activation energies indicates that the complexity of the dry reforming of methane limits the electrochemical activity of the anodes in biogas.
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NiO-Ce0.9Gd0.1O1.95 (NiO-CGO), NiCuO-CGO and NiCoO-CGO composite powders had their catalytic activities in reforming the methane, for hydrogen production, evaluated in the temperature range 400-800 ºC. These materials were also studied as solid oxide fuel cell anodes. Symmetrical anode/electrolyte/anode cells were prepared by screen-printing. The electrochemical activity was performed under typical anode operating conditions (reducing atmosphere in the temperature range between 650 and 750°C), using hydrogen and biogas as fuels. X-ray diffraction (XRD) analysis of powders calcined at 700 °C confirmed the attainment of NiO (NaCl-type), Co3O4 (spinel-type), CuO (tenoritetype) and Ce0.9Gd0.1O1.95 (fluorite-type). The crystallite size analysis indicated the obtaining of nanometric powders. The cobalt-based samples presented specific area values (evaluated by the BET method) higher than those of copper-based samples. Temperature programmed reduction (TPR) analysis indicated that the reducibility of the Ni-containing phase and its interaction with the CGO support are influenced by the presence and amount of cobalt and copper. The sample Ni0.2Co0.8O-CGO (NiCo0.8) showed high reduction capacity and strong metal/support interaction. The Rietveld refinement analysis for the reduced catalysts confirmed the presence of the Ni-Co alloy. These factors played a key role in enhancing catalytic activity and suppressing carbon deposition. The characterization of the catalysts after reaction by thermogravimetry and differential scanning calorimetry (TG-DSC) showed a better resistance to carbon deposition for NiCo catalysts. These catalysts showed higher conversions of CH4 and CO2 than NiCu and NiCGO catalysts. The NiCo0.8 catalyst showed a slightly higher CH4 conversion, better reaction selectivity between 600 and 750°C and better resistance to carbon deposition than Ni0.6Co0.4O-CGO (NiCo0.4). The methane reforming reaction with CO2 seems to be more favorable in the presence of the NiCo0.8 catalyst. The electrochemical characterization using impedance spectroscopy showed that the same electrode presents different electrochemical behaviors in hydrogen and biogas. In terms of overall behavior, NiCu0.8 is better than CuCGO in hydrogen. The inverse occurs in biogas, where the CuCGO anode performance is twice that of NiCu0.8. The calculation of the activation energies indicates that the complexity of the dry reforming of methane limits the electrochemical activity of the anodes in biogas.NenhumaNa busca de fontes energéticas renováveis e ambientalmente amigáveis, a produção de hidrogênio e a pesquisa com célula a combustível de óxido sólido (SOFC) tem se destacado. Anodos à base de níquel e céria dopada com gadolínia (Ce1-xGdxO2-? - CGO) têm apresentado bom desempenho eletroquímico em temperaturas intermediárias (600-800 °C), permitindo a oxidação direta de gases contendo hidrocarbonetos. Este trabalho é o primeiro relato sobre a síntese em uma etapa de precursores de cermets (compósitos cerâmica-metal) bimetálicos a base de níquel, cobre e cobalto. Materiais particulados e eletrodos obtidos por serigrafia foram avaliados como catalisadores para a reforma a seco de metano e como anodos de SOFC, respectivamente. Pós de compósitos NiO-Ce0,9Gd0,1O1,95 (NiO-CGO), NiCuO-CGO e NiCoOCGO tiveram suas atividades catalíticas na reforma a seco de metano, para a produção de hidrogênio, avaliadas na faixa de temperatura de 400 a 800ºC. Para o estudo como anodos de SOFC, células simétricas anodo/eletrólito/anodo foram preparadas usando os recursos da serigrafia. A atividade eletroquímica foi realizada em condições de operação típicas de anodos (atmosfera redutora na faixa de temperatura entre 650 e 750 °C), usando hidrogênio e biogás como combustíveis. A análise estrutural por difratometria de raios X (DRX) confirmou que os pós calcinados a 700 °C apresentam as fases cristalinas NiO (estrutura tipo NaCl), Co3O4 (estrutura tipo espinélio), CuO (estrutura tipo tenorite) e Ce0.9Gd0.1O1.95 (estrutura tipo fluorita). A análise de tamanho do cristalito via refinamento Rietveld dos dados de DRX indicou a obtenção de pós nanométricos. As amostras à base de cobalto apresentaram valores de área específica (avaliada pelo método BET) maiores que as amostras a base de cobre. A redução à temperatura programada (TPR) indicou que a redutibilidade da fase contendo Ni e a sua interação com o suporte de CGO são influenciadas pela presença e quantidade de cobalto e cobre. A amostra Ni0.2Co0.8O-CGO (NiCo0.8) exibiu alta capacidade de redução e forte interação metal/suporte. A análise de refinamento Rietveld para os catalisadores reduzidos confirmou a presença da liga Ni-Co. Estes fatores desempenharam um papel fundamental no aprimoramento da atividade catalítica e na supressão da deposição de carbono. Após a reforma a seco de metano os catalisadores foram caracterizados por termogravimetria e calorimetria exploratória diferencial (TG-DSC), evidenciando uma melhor resistência à deposição de carbono para os catalisadores NiCo. Estes catalisadores apresentaram maiores conversões de CH4 e CO2 do que os catalisadores NiCu e NiCGO. O catalisador NiCo0.8 apresentou uma conversão de CH4 ligeiramente superior, melhor seletividade da reação entre 600 e 750 °C e melhor resistência à deposição de carbono que o catalisador NiCo0.4. Os resultados catalíticos indicam que a reação de reforma (a seco) do metano com CO2 é mais favorável na presença do catalisador NiCo0.8. A caracterização eletroquímica via espectroscopia de impedância mostrou que o mesmo eletrodo apresenta comportamentos eletroquímicos distintos em hidrogênio e biogás. Em termos de comportamento global, NiCu0,8 é melhor que CuCGO em hidrogênio. O inverso ocorre em biogás, onde o desempenho do anodo CuCGO é duas vezes superior ao do NiCu0,8. O cálculo das energias de ativação indica que a complexidade da reforma a seco de metano limita a atividade eletroquímica dos anodos em biogás.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia de MateriaisPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de MateriaisUFPBMacedo, Daniel Araújo dehttp://lattes.cnpq.br/1027496814443777Souza, Glageane da Silva2019-02-12T18:28:19Z2019-02-122019-02-12T18:28:19Z2018-05-23info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/13406porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2019-02-12T18:28:19Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/13406Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2019-02-12T18:28:19Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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