Hidrogenação de CO2 sobre catalisadores à base de elementos não-nobres: a influência da composição química do catalisador e de condições reacionais na produção de álcoois

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Santos, Leonardo de Oliveira
Orientador(a): Gomes, Janaina Fernandes lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
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:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/17449
Resumo: Strategies to reduce CO2 emissions and control the increase in atmospheric levels of this gas are urgent. A promising approach to help minimize the accumulation of CO2 in the atmosphere and the corresponding negative environmental impacts includes the use of CO2 as a feedstock for fuel schemes such as methanol and ethanol, for example. These compounds can be synthesized by CO2 hydrogenation through heterogeneous catalysis. Results obtained recently in our research group observed that the catalytic hydrogenation of CO2 on pure copper in the presence of water vapor as a source of hydrogen leads to the formation of methanol and ethanol as reaction products at atmospheric pressure. Despite these advances, the system has been underexplored until the moment and some aspects still need to be clarified. Considering the reaction under atmospheric pressure conditions, it is not known about the performance of materials in the absence of water, using only CO2 and H2, and about the impact of the gradual addition of water vapor to the CO2 and H2feed stream in the production of alcohols. Investigations like these are essential for a better understanding of the catalytic system and for identifying reaction conditions favorable to the synthesis of specific products. This aspect will be further explored in this work. Here, CuO and CuO/ZnO/Al2O3 catalysts were synthesized by the (co-)precipitation method. The CuO/ZnO/Al2O3 catalyst was promoted by wet impregnation with K or Cs. The synthesized materials were characterized by thermogravimetric analysis (ATG), X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence spectrophotometry, N2 physisorption and temperature programmed reduction with H2. Initially, the catalysts were used in the hydrogenation reaction of CO2 with H2. The catalytic performance of Cu and Cu/ZnO/Al2O3 was evaluated at a temperature of 473,15 K in molar ratios of H2/CO2 = 1, H2/CO2 = 3 and H2/CO2 = 5. The molar ratio of H2/CO2 = 3 favored the productivity to alcohols and, among the investigated materials, the Cu/ZnO/Al2O3 catalyst was the one that presented the highest productivity of methanol and ethanol, 220 and 0.13 µmol g-1Cuh-1, respectively, at a temperatureof 473,15 K. The addition of water vapor to the CO2 and H2 feed stream resulted in an inhibition of alcohol productivity in the Cu, Cu/ZnO/Al2O3, K-Cu/ZnO/Al2O3 and Cs-Cu/ZnO/Al2O3 catalysts. These results indicate that, in the hydrogenation of CO2 in the presence of H2 and water vapour, the adsorption of water competes with the adsorption of other species for active sites of the catalyst, disfavoring the formation of alcohols.
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These compounds can be synthesized by CO2 hydrogenation through heterogeneous catalysis. Results obtained recently in our research group observed that the catalytic hydrogenation of CO2 on pure copper in the presence of water vapor as a source of hydrogen leads to the formation of methanol and ethanol as reaction products at atmospheric pressure. Despite these advances, the system has been underexplored until the moment and some aspects still need to be clarified. Considering the reaction under atmospheric pressure conditions, it is not known about the performance of materials in the absence of water, using only CO2 and H2, and about the impact of the gradual addition of water vapor to the CO2 and H2feed stream in the production of alcohols. Investigations like these are essential for a better understanding of the catalytic system and for identifying reaction conditions favorable to the synthesis of specific products. This aspect will be further explored in this work. Here, CuO and CuO/ZnO/Al2O3 catalysts were synthesized by the (co-)precipitation method. The CuO/ZnO/Al2O3 catalyst was promoted by wet impregnation with K or Cs. The synthesized materials were characterized by thermogravimetric analysis (ATG), X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence spectrophotometry, N2 physisorption and temperature programmed reduction with H2. Initially, the catalysts were used in the hydrogenation reaction of CO2 with H2. The catalytic performance of Cu and Cu/ZnO/Al2O3 was evaluated at a temperature of 473,15 K in molar ratios of H2/CO2 = 1, H2/CO2 = 3 and H2/CO2 = 5. The molar ratio of H2/CO2 = 3 favored the productivity to alcohols and, among the investigated materials, the Cu/ZnO/Al2O3 catalyst was the one that presented the highest productivity of methanol and ethanol, 220 and 0.13 µmol g-1Cuh-1, respectively, at a temperatureof 473,15 K. The addition of water vapor to the CO2 and H2 feed stream resulted in an inhibition of alcohol productivity in the Cu, Cu/ZnO/Al2O3, K-Cu/ZnO/Al2O3 and Cs-Cu/ZnO/Al2O3 catalysts. These results indicate that, in the hydrogenation of CO2 in the presence of H2 and water vapour, the adsorption of water competes with the adsorption of other species for active sites of the catalyst, disfavoring the formation of alcohols.Estratégias para reduzir as emissões de CO2 e controlar o aumento dos níveis atmosféricos deste gás são urgentes. Uma abordagem promissora para ajudar a minimizar o acúmulo de CO2 na atmosfera e os correspondentes impactos ambientais negativos incluem o uso de CO2 como matéria-prima para a síntese de combustíveis, como metanol e etanol, por exemplo. Estes compostos podem ser sintetizados pela hidrogenação de CO2 através de catálise heterogênea. Resultados obtidos recentemente no nosso grupo de pesquisa mostraram que a hidrogenação catalítica de CO2 sobre cobre puro na presença de vapor de água como fonte de hidrogênio leva à formação de metanol e etanol como produtos reacionais em pressão atmosférica. Apesar desses avanços, o sistema foi pouco explorado até o momento e alguns aspectos ainda precisam ser esclarecidos. Considerando-se a reação em condições de pressão atmosférica, pouco se sabe sobre o desempenho de materiais na ausência de água, empregando-se apenas CO2 e H2, e sobre o impacto da adição gradual de vapor d’água à corrente de alimentação de CO2 e H2 na produção de álcoois. Investigações como essas são fundamentais para que se compreenda melhor o sistema catalítico e se possa identificar condições reacionais favoráveis à síntese de produtos específicos. Este aspecto será mais profundamente explorado no presente trabalho. Aqui, catalisadores de CuO e CuO/ZnO/Al2O3 foram sintetizados pelo método de (co-)precipitação. O catalisador de CuO/ZnO/Al2O3 foi promovido por impregnação úmida com K ou Cs. Os materiais sintetizados foram caracterizados por análise termogravimétrica (ATG), difração de raios X (DRX), espectrofotometria de fluorescência de raios X, fisissorção de N2 e redução a temperatura programada com H2. Inicialmente, os catalisadores foram empregados na reação de hidrogenação de CO2 com H2. Avaliou-se o desempenho catalítico de Cu e Cu/ZnO/Al2O3 à temperatura de 200 ºC em razões molares de H2/CO2 = 1, H2/CO2 = 3 e H2/CO2 = 5. A razão molar de H2/CO2 = 3 favoreceu a produtividade a álcoois e, dentre os materiais investigados, o catalisador de Cu/ZnO/Al2O3 foi o que apresentou as mais elevadas produtividades de metanol e etanol, 220 e 0,13 µmol g¹-1Cu h-1 respectivamente, à temperatura de 200 °C. A adição de vapor d´água à corrente de alimentação de CO2 e H2 resultou em uma inibição da produtividade de álcoois nos catalisadores de Cu, Cu/ZnO/Al2O3, K-Cu/ZnO/Al2O3 e Cs-Cu/ZnO/Al2O3. Estes resultados indicam que, na hidrogenação de CO2 em presença de H2 e vapor d’água, a adsorção de água compete com a adsorção de outras espécies por sítios ativos do catalisador, desfavorecendo a formação de álcoois.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Processo nº 2020/07843-7, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarCC0 1.0 Universalhttp://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/info:eu-repo/semantics/openAccessHidrogenação de CO2Catalisador de cobreVapor d'águaComposição química do catalisadorCondições reacionaisÁlcooisCO2 hydrogenationCopper catalystWater vaporChemical composition of the catalystReaction conditionAlcoholsENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAHidrogenação de CO2 sobre catalisadores à base de elementos não-nobres: a influência da composição química do catalisador e de condições reacionais na produção de álcooisCO2 hydrogenation on catalysts based on non-noble elements: the influence of the chemical composition of the catalyst and reaction conditions on the production of alcoholsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis600600fddc4165-018a-480c-943f-382a2f697783reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertação - Leonardo de Oliveira Santos - BCO.pdfDissertação - Leonardo de Oliveira Santos - BCO.pdfapplication/pdf1775594https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/79c99964-a027-4132-b5db-87974625b9ee/download1fc797bec8cf477848387489152127dcMD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8700https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/0e5e8db2-5ba2-4a94-96d6-20619f09a84e/download79da7ba44461b593b4f6afc1f09853c4MD52falseAnonymousREADTEXTDissertação - Leonardo de Oliveira Santos - BCO.pdf.txtDissertação - Leonardo de Oliveira Santos - BCO.pdf.txtExtracted texttext/plain109562https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/781abfc6-66fe-4bd3-935c-65f85f54837a/downloadf9189d48f119177620f3f723bea37d71MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILDissertação - Leonardo de Oliveira Santos - BCO.pdf.jpgDissertação - Leonardo de Oliveira Santos - BCO.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg7742https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/df3aa37c-f36d-4dde-b0ab-668bbd890462/downloadf7d85eee5b9bfc140e7cbe68501d7fc1MD54falseAnonymousREAD20.500.14289/174492025-02-05 22:59:31.125http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/CC0 1.0 Universalopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/17449https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T01:59:31Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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