Decomposição e reforma a seco do metano utilizando catalisadores tipo óxidos mistos - Calgaro, Camila Ottonelli (2019)
O uso do hidrogênio como uma alternativa aos combustíveis fósseis é interessante pela sua alta densidade energética e por proporcionar uma combustão limpa. A maioria das necessidades energéticas atuais é suprida pela combustão de combustíveis fósseis, estando associada à produção de gases de efeito estufa, principalmente de CO2. Hidrogênio de alta pureza e carbono estruturado podem ser obtidos através da reação de decomposição catalítica do metano. A reação de reforma a seco do metano possibilita o emprego do biogás, que é uma fonte renovável, na produção de hidrogênio. O presente trabalho teve como objetivo a preparação de catalisadores para a produção de hidrogênio e carbono estruturado através dessas duas reações. Foram preparados dois grupos de catalisadores co-precipitados: Co-Al e Ni-Al. Os catalisadores de Co-Al foram preparados variando a composição de Co entre 50 e 100 %. A partir desses catalisadores, foram avaliadas diferentes temperaturas reacionais e a influência da etapa de redução. Também foi avaliada a influência da composição e a fase do catalisador no tipo de carbono produzido pela decomposição catalítica do metano. O segundo grupo de catalisadores foi composto por Ni e Al em um percentual molar de 55 e 33%, respectivamente, modificado por um ou dois componentes com percentual molar total de 11%. Primeiramente, foi avaliada a adição de um terceiro componente M= Mg, Li, Ca, La, Cu, Co, Zn, com um percentual molar de 11%. Depois, a partir dos catalisadores Ni-Mg-Al e Ni-La-Al, foi avaliada a adição dos dois componentes Mg e La de forma conjunta, variando a razão de Mg/La. Os catalisadores de Ni-M-Al e Ni-Mg-La-Al foram empregados na reação de reforma do biogás para a produção de hidrogênio, utilizando um biogás sintético composto por 70% de metano e 30% de CO2. Foram avaliadas as condições reacionais de razão de alimentação de CO2/CH4 e de tempo espacial W/FA0 (sendo W a massa do catalisador e FA0 a vazão molar de CH4) para o catalisador Ni-Mg-Al. Os catalisadores de Co-Al apresentaram 6 fases redutíveis: três correspondentes a redução do Co3O4 puro e três correspondentes aos óxidos mistos representados por Co3-xAlxO4 com x variando entre 0,5 e 2. A ativação desses catalisadores influenciou a atividade, o tipo de carbono produzido e a taxa de desativação. Catalisadores de Co/Al com razões entre 1 e 2,3 mostraram os melhores resultados em 500°C e requereram um tempo de indução quando foram ativados diretamente com CH4. A estabilidade desses catalisadores está relacionada com os óxidos mistos do tipo Co3-xAlxO4. Para as amostras ativadas com CH4 a quantidade de carbono amorfo produzido foi mais importante do que a sinterização para a desativação dos catalisadores a 700 °C. Nanotubos de carbono foram formados pelos óxidos mistos de Co-Al nas reações de 500 a 700 °C. A formação do grafeno foi favorecida pela fase Co3O4 e maiores temperaturas reacionais, durante as reações ativadas diretamente com CH4. Poucas camadas de grafeno foram formadas no catalisador Co100 (razão molar Co/Al = ∞) a 800 e 900 °C. Através dos catalisadores de Ni-M-Al, empregados na reforma do biogás, obteve-se uma maior estabilidade nas reações em 700 °C e 600 °C com o catalisador contendo La. A razão molar de H2/CO observada nas reações foi maior que 1 devido a contribuição da decomposição do metano. Filamentos de carbono foram obtidos por todos os catalisadores durante as reações em 600 e 700 °C. Através da adição dos dois componentes (Mg e La) ao catalisador Ni-Al foi possível melhorar a atividade e estabilidade catalítica na reação de reforma do biogás devido à presença de sítios ácidos mais fortes em relação ao catalisador Ni-Mg-Al e de sítios básicos mais fortes em relação ao catalisador Ni-La-Al. Experimentos com a variação da razão CO2/CH4 mostraram que a formação de carbono e a sinterização do catalisador (Ni-Mg-Al) decrescem com o aumento dessa razão e podem ser controlados com a razão de CO2/CH4=2.