Oxidação do metano em metanol: efeito da natureza do oxidante na estrutura da espécie ativa em Cu-FAU e Cu-CHA

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Vieira, Jussara Vitória Reis
Orientador(a): Bueno, José Maria Corrêa lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/19697
Resumo: The direct oxidation of methane to methanol is carried out with metal-zeolite catalysts in three steps: (I) oxidation of metal oxide with O2; (II) partial oxidation of methane to methanol using active site oxygen, and (III) methanol desorption with water vapour. Generally, the conventional process studied in the literature is carried out in cycles with temperature changes. However, the isothermal cycle is preferable from an economic and operational point of view. Understanding the active species in catalysts is important for the development of materials that allow higher methanol yields. Although the literature presents excellent studies on this reaction, the process has not yet left the laboratory scale. It is necessary to investigate changes in the process that allow improvements to achieve a future viability. Therefore, the general objective of this work is to propose the use of CO2 as an oxidant in an isothermal process at high temperature in the partial oxidation reaction of methane to methanol using the zeolites Cu-FAU and Cu-CHA, and through the technique of diffuse reflectance spectroscopy in the ultraviolet and visible region to compare the effect of this oxidant on the structure of the active species in relation to the traditionally used oxidant, oxygen. The catalysts showed excellent performance in the isothermal process (400 °C), using CO2 as an oxidant. The results achieved were 140 and 132 µmol MeOH/gcat, for Cu-FAU and Cu-CHA, respectively. Through DRS UV-vis in situ it was possible to verify the presence of two species that are able to activate methane in Cu-FAU using CO2 -[Cu3(µ-O)3]2+ and [CuOH]+. However, the use of oxygen only species [CuOH]+ is observed. The Cu-CHA showed only species [CuOH]+ in both oxidants. The results suggest that the combination of oxidant and zeolite structure influences the formation of the active species. The treatment in CO2, in addition to providing active oxygen for the formation of the active site, allows the self-reduction of a copper fraction (Cu2+ → Cu+). The Cu+ formed can migrate into the Cu-FAU zeolite structure and recombine with other atoms to form [Cu3(µ-O)3]2+. The proposal to use carbon dioxide is a step forward in contributing to the study of the direct partial oxidation of methane to methanol.
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However, the isothermal cycle is preferable from an economic and operational point of view. Understanding the active species in catalysts is important for the development of materials that allow higher methanol yields. Although the literature presents excellent studies on this reaction, the process has not yet left the laboratory scale. It is necessary to investigate changes in the process that allow improvements to achieve a future viability. Therefore, the general objective of this work is to propose the use of CO2 as an oxidant in an isothermal process at high temperature in the partial oxidation reaction of methane to methanol using the zeolites Cu-FAU and Cu-CHA, and through the technique of diffuse reflectance spectroscopy in the ultraviolet and visible region to compare the effect of this oxidant on the structure of the active species in relation to the traditionally used oxidant, oxygen. The catalysts showed excellent performance in the isothermal process (400 °C), using CO2 as an oxidant. The results achieved were 140 and 132 µmol MeOH/gcat, for Cu-FAU and Cu-CHA, respectively. Through DRS UV-vis in situ it was possible to verify the presence of two species that are able to activate methane in Cu-FAU using CO2 -[Cu3(µ-O)3]2+ and [CuOH]+. However, the use of oxygen only species [CuOH]+ is observed. The Cu-CHA showed only species [CuOH]+ in both oxidants. The results suggest that the combination of oxidant and zeolite structure influences the formation of the active species. The treatment in CO2, in addition to providing active oxygen for the formation of the active site, allows the self-reduction of a copper fraction (Cu2+ → Cu+). The Cu+ formed can migrate into the Cu-FAU zeolite structure and recombine with other atoms to form [Cu3(µ-O)3]2+. The proposal to use carbon dioxide is a step forward in contributing to the study of the direct partial oxidation of methane to methanol.A oxidação direta do metano em metanol é realizada com catalisadores de metal-zeólitas em três etapas: (I) oxidação do óxido metálico com O2; (II) oxidação parcial do metano em metanol utilizando o oxigênio da espécie ativa, e (III) dessorção do metanol com vapor de água. Geralmente, o processo convencional estudado na literatura é realizado em ciclos com mudanças de temperatura. Contudo, o ciclo isotérmico é preferível do ponto de vista econômico e operacional. O entendimento das espécies ativas nos catalisadores é importante para o desenvolvimento de materiais que permitam maiores rendimentos em metanol. Embora a literatura apresente excelentes estudos sobre essa reação, o processo ainda não saiu da escala de laboratório. É necessário investigar mudanças no processo que permitam melhorias para alcançar uma futura viabilidade. Portanto, o objetivo geral do trabalho é propor a utilização de CO2 como oxidante em processo isotérmico em alta temperatura da reação de oxidação parcial do metano em metanol utilizando as zeólitas Cu-FAU e Cu-CHA, e por meio da técnica de espectroscopia de reflectância difusa na região do ultravioleta e visível comparar o feito desse oxidante na estrutura das espécies ativa em relação ao oxidante tradicionalmente utilizado, oxigênio. Os catalisadores apresentaram ótimos desempenhos no processo isotérmico (400 °C), utilizando CO2 como oxidante. Os resultados alcançaram 140 e 132 µmol MeOH/gcat, para Cu-FAU e Cu-CHA, respectivamente. Por meio de DRS UV-vis in situ foi possível verificar a presença de duas espécies capazes de ativar o metano na Cu-FAU, [Cu3(µ-O)3]2+ e [CuOH]+, utilizando CO2. Entretanto, o uso de oxigênio somente a espécie [CuOH]+ é observada. A Cu-CHA apresentou apenas a espécie [CuOH]+ em ambos os oxidantes. Os resultados sugerem que a combinação do oxidante e da estrutura da zeólita influencia na formação da espécie ativa. O tratamento em CO2, além de fornecer oxigênio ativo para a formação da espécie ativa, permite a auto-redução de uma fração do cobre (Cu2+ → Cu+). O Cu+ formado pode migrar na estrutura da zeólita e recombinar com outros átomos para a formação de [Cu3(µ-O)3]2+ em Cu-FAU. A proposta do uso de dióxido de carbono é um avanço para a contribuição do estudo da oxidação parcial direta do metano em metanol.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES), processo n° 88887.475670/2020-00Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), número do processo 2018/01258-5porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessOxidação metano-metanolZeólitasDióxido de carbonoENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAOxidação do metano em metanol: efeito da natureza do oxidante na estrutura da espécie ativa em Cu-FAU e Cu-CHAOxidation of methane to methanol: effect of the nature of the oxidant on the structure of the active species in Cu-FAU and Cu-CHAinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTEXTTESE JUSSARA VITORIA REIS VIEIRA.pdf.txtTESE JUSSARA VITORIA REIS VIEIRA.pdf.txtExtracted texttext/plain103042https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/419d28bc-6dc6-4595-9c41-f14da52aea0c/download7e46baea0dc62f9c224101a73243c74eMD53falseAnonymousREADTHUMBNAILTESE JUSSARA VITORIA REIS VIEIRA.pdf.jpgTESE JUSSARA VITORIA REIS VIEIRA.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4593https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/bee3c646-3f49-4747-97ed-1fad381045ab/downloade43ef659fde5457bcd4209b52c85f93aMD54falseAnonymousREADORIGINALTESE JUSSARA VITORIA REIS VIEIRA.pdfTESE JUSSARA VITORIA REIS VIEIRA.pdftexto teseapplication/pdf3488431https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/341d312e-9f5f-453e-9ad7-bc123b32a0a1/downloadae1a63571449627bd3a2cd00b15c4537MD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/c871661f-94b9-49ed-bccd-7dbc75508f5b/downloadf337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52falseAnonymousREAD20.500.14289/196972025-02-06 01:58:43.016http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/19697https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T04:58:43Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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