Estudo da reação de hidrogenação de CO2 em materiais à base de Cu via catálise heterogênea
| Ano de defesa: | 2022 |
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| Tipo de documento: | Dissertação |
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Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos |
| Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
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| Link de acesso: | https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16554 |
Resumo: | CO2 is a greenhouse gas whose production has intensified in recent decades, generating its accumulation in the Earth’s atmosphere. Thereby, numerous negative environmental changes, such as the aggravation of the greenhouse effect, have occurred all over the planet. Mitigating approaches have been adopted in several countries around the world, such as the capture and storage of CO2 and the use of renewable energy sources instead of fossil sources. Furthermore, the use of this gas as a carbonaceous input for the production of chemical compounds with high added value is a promising alternative. In this regard, the catalytic hydrogenation of CO2 is a carbon recycling technology that has been explored in recent years. This reaction can occur via electro-catalysis and heterogeneous catalysis at gas-phase. In the present work only the catalytic process at gas-phase will be focused. In this process H2 is used as a hydrogen source and the application of Cu-based catalysts promotes mainly the formation of C1 compounds, such as CO and methanol. These reactions typically occur at temperatures of 200 – 300 °C and under pressures of 2 – 7 MPa. Thus, the investigation of more favorable conditions for the hydrogenation of CO2 at gas-phase on non-noble metals-based materials, such as copper, for the efficient and selective production of high energy density compounds, such as ethanol, ethylene, propane and butanol, is necessary. Recently, in our research group, catalytic studies of CO2 hydrogenation on copper, conducted at gas-phase in the presence of water steam under atmospheric pressure, led to the formation of ethanol. There are evidences that water acts in the stabilization of adsorbed intermediates of the reaction, such as CO, favoring the formation of ethanol. However, the impact of the catalyst properties in this reaction has been poorly explored. In this context, the objective of this work is to study the influence of the copper oxidation state on the CO2 hydrogenation reaction at gas phase in the presence and absence of water steam on Cu materials, aiming at the production of alcohols with two or more carbon atoms (C2+OH). Results of this work showed that ethanol production is more pronounced when we used water steam as a hydrogen source and catalysts with a mixture of oxidized and metallic copper species. Furthermore, it was observed that the presence of oxidized copper species together with metallic copper species was important to improve the productivity of methanol, in addition to ethanol, when H2 was applied as a hydrogen source, indicating the importance of having different copper species to intensify the production of alcohols. |
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Caldeira, Ana Clara RochaGomes, Janaina Fernandeshttp://lattes.cnpq.br/6718634914051168http://lattes.cnpq.br/5038796320700062a147d75c-3797-4b12-92ed-c177c38c4fcd2022-09-01T17:02:13Z2022-09-01T17:02:13Z2022-07-07CALDEIRA, Ana Clara Rocha. Estudo da reação de hidrogenação de CO2 em materiais à base de Cu via catálise heterogênea. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16554.https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16554CO2 is a greenhouse gas whose production has intensified in recent decades, generating its accumulation in the Earth’s atmosphere. Thereby, numerous negative environmental changes, such as the aggravation of the greenhouse effect, have occurred all over the planet. Mitigating approaches have been adopted in several countries around the world, such as the capture and storage of CO2 and the use of renewable energy sources instead of fossil sources. Furthermore, the use of this gas as a carbonaceous input for the production of chemical compounds with high added value is a promising alternative. In this regard, the catalytic hydrogenation of CO2 is a carbon recycling technology that has been explored in recent years. This reaction can occur via electro-catalysis and heterogeneous catalysis at gas-phase. In the present work only the catalytic process at gas-phase will be focused. In this process H2 is used as a hydrogen source and the application of Cu-based catalysts promotes mainly the formation of C1 compounds, such as CO and methanol. These reactions typically occur at temperatures of 200 – 300 °C and under pressures of 2 – 7 MPa. Thus, the investigation of more favorable conditions for the hydrogenation of CO2 at gas-phase on non-noble metals-based materials, such as copper, for the efficient and selective production of high energy density compounds, such as ethanol, ethylene, propane and butanol, is necessary. Recently, in our research group, catalytic studies of CO2 hydrogenation on copper, conducted at gas-phase in the presence of water steam under atmospheric pressure, led to the formation of ethanol. There are evidences that water acts in the stabilization of adsorbed intermediates of the reaction, such as CO, favoring the formation of ethanol. However, the impact of the catalyst properties in this reaction has been poorly explored. In this context, the objective of this work is to study the influence of the copper oxidation state on the CO2 hydrogenation reaction at gas phase in the presence and absence of water steam on Cu materials, aiming at the production of alcohols with two or more carbon atoms (C2+OH). Results of this work showed that ethanol production is more pronounced when we used water steam as a hydrogen source and catalysts with a mixture of oxidized and metallic copper species. Furthermore, it was observed that the presence of oxidized copper species together with metallic copper species was important to improve the productivity of methanol, in addition to ethanol, when H2 was applied as a hydrogen source, indicating the importance of having different copper species to intensify the production of alcohols.O CO2 é um gás de efeito estufa, cuja produção tem se intensificado nas últimas décadas, gerando o seu acúmulo na atmosfera terrestre. Com isso, inúmeras alterações ambientais negativas, como o agravamento do efeito estufa, vêm ocorrendo por todo o planeta. Medidas mitigadoras vêm sendo adotadas em diversos países do mundo, como, por exemplo, a captura e armazenamento do CO2 e a utilização de fontes renováveis de energia, em lugar de fontes fósseis. Além disso, a utilização desse gás como insumo carbonáceo para a produção de compostos químicos de alto valor agregado se mostra uma alternativa promissora. Nesse sentido, a hidrogenação catalítica do CO2 é uma tecnologia de reciclagem de carbono que vem sendo bastante explorada nos últimos anos. Essa reação pode ocorrer via eletro-catálise e catálise heterogênea em fase gasosa, sendo que no presente trabalho apenas o processo catalítico em fase gasosa será abordado. No processo de catálise heterogênea em fase gasosa emprega-se H2 como fonte de hidrogênio e a aplicação de catalisadores à base de Cu promove majoritariamente a formação de compostos C1, como, por exemplo, o CO e o metanol. Essas reações normalmente ocorrem em temperaturas de 200 – 300 °C e sob pressões de 2 – 7 MPa. Desse modo, a investigação de condições mais favoráveis à hidrogenação do CO2 em fase gasosa, em materiais à base de metais não-nobres, como o cobre, para a produção eficiente e seletiva de compostos de alta densidade energética, como o etanol, etileno, propano, butanol, faz-se necessária. Recentemente, no nosso grupo de pesquisa, ensaios catalíticos de hidrogenação de CO2 em cobre, conduzidos em fase gasosa na presença de vapor d’água, sob pressão atmosférica, levaram à formação de etanol. Há evidências de que a água atua na estabilização de intermediários adsorvidos da reação, como o CO, o que favorece a formação de etanol. Entretanto, o impacto das propriedades do catalisador nessa reação ainda foi pouco explorado. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é estudar a influência do estado de oxidação do cobre na reação de hidrogenação do CO2, em fase gasosa, na presença e ausência de vapor d´água, sobre materiais de Cu, visando a produção de álcoois com dois ou mais átomos de carbono (C2+OH). Os resultados deste trabalho mostraram que a produção do etanol é maior quando se aplica vapor de água como fonte de hidrogênio e materiais com uma mistura de espécies de cobre oxidado e cobre metálico. Além disso, observou-se que a presença de espécies de cobre oxidado, juntamente com espécies de cobre metálico, fora importante também para melhorar a produtividade ao metanol, além do etanol, quando se aplicou H2 como fonte de hidrogênio indicando, portanto, a importância de se ter uma relação entre diferentes espécies de cobre para intensificar a produção de álcoois.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)2020/03475-3, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)porUniversidade 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/openAccessHidrogenação do CO2Vapor de águaCatalisadores de cobreÁlcoois superioresCO2 hydrogenationWater steamCopper catalystsHigher alcoholsENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICAENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAEstudo da reação de hidrogenação de CO2 em materiais à base de Cu via catálise heterogêneaStudy of the CO2 hydrogenation reaction in Cu-based materials via heterogeneous catalysisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis600600fddc4165-018a-480c-943f-382a2f697783reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertação Ana Clara Rocha Caldeira Bco UFSCar 2022.pdfDissertação Ana Clara Rocha Caldeira Bco UFSCar 2022.pdfapplication/pdf783951https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/36235c2f-caa2-41a1-9899-6f4dfd2ecfd3/download1872c150b5c574fae25b3df212674837MD51trueAnonymousREADCarta_Comprovante_Versao_Final_MS_assinado.pdfCarta_Comprovante_Versao_Final_MS_assinado.pdfapplication/pdf121260https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/8c30a0cf-9011-49bb-b1e1-81b49e19e64b/download265fcf6c35fa73f0e606a1eb0761b510MD53falseCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/8f5c81d6-60cc-4e3a-8224-d76780dc2939/downloade39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD54falseAnonymousREADTEXTDissertação Ana Clara Rocha Caldeira Bco UFSCar 2022.pdf.txtDissertação Ana Clara Rocha Caldeira Bco UFSCar 2022.pdf.txtExtracted texttext/plain106555https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/859332c9-2c93-428f-b9b1-a9d78fa3d9cd/download666969693d2a5ab163c766eef5f51c52MD59falseAnonymousREADCarta_Comprovante_Versao_Final_MS_assinado.pdf.txtCarta_Comprovante_Versao_Final_MS_assinado.pdf.txtExtracted texttext/plain1457https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/0fdf34ad-5e8e-45e7-8ef2-ba30a280cc08/downloadaf0806689ffe802ae0c0215a986f4784MD511falseTHUMBNAILDissertação Ana Clara Rocha Caldeira Bco UFSCar 2022.pdf.jpgDissertação Ana Clara Rocha Caldeira Bco UFSCar 2022.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg4521https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/c7e80300-ad15-441b-8205-a7759205b60b/downloadccac3fc7315cb560d709efcefb282729MD510falseAnonymousREADCarta_Comprovante_Versao_Final_MS_assinado.pdf.jpgCarta_Comprovante_Versao_Final_MS_assinado.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg8807https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/625f22b5-23d6-4e0c-85be-7db1b0f68d8b/download05bf37307e61e0e5ea00fe5fa87050c4MD512false20.500.14289/165542025-02-05 21:50:04.618http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/16554https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T00:50:04Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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