Produção e purificação de nanotubos de carbono via decomposição catalítica do metano

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Milanezi, Henrique Carvalhais
Orientador(a): Urquieta-Gonzalez, Ernesto Antônio 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/20.500.14289/19930
Resumo: Carbon nanotubes (CNTs) are materials with the potential to develop disruptive technologies, such as the construction of space elevators and transistors smaller than silicon, but their production is still an engineering challenge. The catalytic decomposition of methane (DCM) is an interesting route for this, using a greenhouse gas to prepare a high value-added product while also producing COx-free hydrogen, an advantage over the commercial route via methane steam reforming. In the present work, DCM was studied in the 700 ºC to 850 ºC range using iron catalysts supported on magnesium oxide or magnesium aluminate, with the aim of understanding the dynamics of the reaction and improving the synthesis of CNTs by increasing the amount produced and reducing the presence of defects in their structure. To this end, DCM was carried out by changing some of the main process variables: support material, iron content dispersed in the support, reactor type, methane fraction in the feed, reaction temperature, residence time and reducing agent. This study exists as a continuation of the IC project supported by FAPESP (process 2021/00622-8) during which DCM was evaluated with the iron catalysts supported on magnesium oxides described here. The prepared catalysts were characterized by temperature-programmed reduction (TPR), N2 physisorption, X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM), while the catalysts after DCM were characterized by XRD, TEM, thermogravimetry (TG) and Raman spectroscopy. The catalyst with the highest yield was 40%FeMgAl2O4, with 1,04 grams of carbon per gram of catalyst, while the 2,5%FeMgAl2O4 catalyst produced 7,23 grams of carbon per gram of iron, the highest yield when weighted by metal content, while the 2,5%FeMgO catalyst was the least active of those studied. Microscopy confirmed the synthesis of carbon nanotubes as well as other structures, while Raman spectroscopy indicated the presence of nanotubes with one or two walls. The carbonaceous products with the least amount of defects came from DCM with the 10%FeMgAl2O4 catalyst when carried out at 750 ºC, with an ID/IG ratio of 0,188, which represents the ratio between defective and graphitic material. The CNTs of the 2.5%FeMgAl2O4 catalyst were estimated to have diameters of up to 8,6 nm.
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The catalytic decomposition of methane (DCM) is an interesting route for this, using a greenhouse gas to prepare a high value-added product while also producing COx-free hydrogen, an advantage over the commercial route via methane steam reforming. In the present work, DCM was studied in the 700 ºC to 850 ºC range using iron catalysts supported on magnesium oxide or magnesium aluminate, with the aim of understanding the dynamics of the reaction and improving the synthesis of CNTs by increasing the amount produced and reducing the presence of defects in their structure. To this end, DCM was carried out by changing some of the main process variables: support material, iron content dispersed in the support, reactor type, methane fraction in the feed, reaction temperature, residence time and reducing agent. This study exists as a continuation of the IC project supported by FAPESP (process 2021/00622-8) during which DCM was evaluated with the iron catalysts supported on magnesium oxides described here. The prepared catalysts were characterized by temperature-programmed reduction (TPR), N2 physisorption, X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM), while the catalysts after DCM were characterized by XRD, TEM, thermogravimetry (TG) and Raman spectroscopy. The catalyst with the highest yield was 40%FeMgAl2O4, with 1,04 grams of carbon per gram of catalyst, while the 2,5%FeMgAl2O4 catalyst produced 7,23 grams of carbon per gram of iron, the highest yield when weighted by metal content, while the 2,5%FeMgO catalyst was the least active of those studied. Microscopy confirmed the synthesis of carbon nanotubes as well as other structures, while Raman spectroscopy indicated the presence of nanotubes with one or two walls. The carbonaceous products with the least amount of defects came from DCM with the 10%FeMgAl2O4 catalyst when carried out at 750 ºC, with an ID/IG ratio of 0,188, which represents the ratio between defective and graphitic material. The CNTs of the 2.5%FeMgAl2O4 catalyst were estimated to have diameters of up to 8,6 nm.Nanotubos de carbono (sigla em inglês: carbon nanotubes, CNTs) são materiais com potencial para desenvolvimento de tecnologias disruptivas, como a construção de elevadores espaciais e transistores menores do que silício, entretanto, sua produção ainda é um desafio de engenharia. A decomposição catalítica do metano (DCM) é uma interessante rota para tal, empregando um gás do efeito estufa na preparação de um produto de elevado valor agregado enquanto também produz hidrogênio livre de COx, uma vantagem frente à rota comercial via reforma a vapor do metano. No presente trabalho a DCM foi estudada na faixa de 700 ºC a 850 ºC utilizando catalisadores de ferro suportados em óxido de magnésio ou aluminato de magnésio, visando entender a dinâmica da reação, e aprimorar a síntese de CNTs, aumentando a quantidade produzida e reduzindo a presença de defeitos em sua estrutura. Para tanto a DCM foi realizada alterando algumas das principais variáveis de processo: material do suporte, teor de ferro disperso no suporte, tipo de reator, a fração de metano na alimentação, temperatura de reação, tempo de residência e agente redutor. Este estudo existe como continuação do projeto de IC apoiado pela FAPESP (processo 2021/00622-8) período no qual a DCM foi avaliada com os catalisadores de ferro suportados em óxidos de magnésio aqui descritos. Os catalisadores preparados foram caracterizados por redução à temperatura programada (TPR), fisissorção de N2, difração de raios-X (DRX) e microscopia eletrônica de transmissão (MET), enquanto que os catalisadores após a DCM foram caracterizados por DRX, MET, termogravimetria (TG) e espectroscopia Raman. O catalisador que apresentou a maior produção foi o 40%FeMgAl2O4, com 1,04 gramas de carbono por grama de catalisador, enquanto que o catalisador 2,5%FeMgAl2O4 produziu 7,23 gramas de carbono por grama de ferro, a maior produção quando ponderada pelo teor de metal, ao passo que o catalisador 2,5%FeMgO foi o menos ativo dentre os estudados. A microscopia confirmou a síntese de nanotubos de carbono, bem como outras estruturas, já a espectroscopia Raman indicou a presença de nanotubos com uma ou duas paredes. Os produtos carbonáceos com a menor quantidade de defeitos vieram da DCM com o catalisador 10%FeMgAl2O4 quando realizada a 750 ºC, apresentando razão ID/IG de 0,188, que representa a razão entre o material defeituoso e grafítico. Os CNTs do catalisador 2,5%FeMgAl2O4 tiveram seus diâmetros estimados de até 8,6 nm.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)88887.669376/2022-00160754/2022-4porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-ShareAlike 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessCatálise heterogêneaDecomposição do metanoNanotubos de carbonoHeterogeneous catalysisMethane decompositionCabon nanotubesENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAProdução e purificação de nanotubos de carbono via decomposição catalítica do metanoProduction and purification of carbon nanotubes via catalytic decomposition of methaneinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTEXTDissertacao___Henrique_Carvalhais_Milanezi.pdf.txtDissertacao___Henrique_Carvalhais_Milanezi.pdf.txtExtracted texttext/plain102756https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/555aa8a2-6914-44fe-859b-9317c2cc99ce/download723e3e6f86415a7ea6e5e356858cc1b2MD54falseAnonymousREADTHUMBNAILDissertacao___Henrique_Carvalhais_Milanezi.pdf.jpgDissertacao___Henrique_Carvalhais_Milanezi.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3961https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/e9adac72-b3fa-4a0d-95de-60f8892293ab/download2cc95b73cda7991dc8d1d9ef8731fc13MD55falseAnonymousREADORIGINALDissertacao___Henrique_Carvalhais_Milanezi.pdfDissertacao___Henrique_Carvalhais_Milanezi.pdfapplication/pdf3618056https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/81766ec0-4522-4703-8913-6b4603074e00/download974a9ee94a3c47b1e7ef85fbfdc3298eMD53trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-81030https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/c9a1d993-72ca-47ce-97c4-028fe7901f16/downloadc6e5ca9ee4112329286834c9257d9d4cMD52falseAnonymousREAD20.500.14289/199302025-02-06 02:20:04.629http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/br/Attribution-ShareAlike 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/19930https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T05:20:04Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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