Síntese, caracterização e aplicação de hidróxidos duplos lamelares Ni–Al como catalisadores para a metanação de CO2

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Martins, Nailma De Jesus
• Orientador(a): Pérez Lopez, Oscar William
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Engenharia
• Palavras-chave em Inglês: CO2 methanation; Ni–Al catalysts; Layered double hydroxides; Residual conductivity; Catalytic characterization; Renewable energy
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/302398

A descarbonização depende de soluções que combinem eficiência, escalabilidade e integração com infraestruturas existentes. Nesse contexto, a captura, conversão e utilização de CO2 (CCU) tem se consolidado como uma rota estratégica para valorizar o carbono e, simultaneamente, armazenar energia em moléculas combustíveis. A reação de Sabatier destaca-se por converter CO2 em metano (CH4), um combustível compatível com redes de gás e com usos em geração distribuída, mobilidade e processos industriais. Além do paradigma Power-to-Gas em que o H2 verde de eletrólise é combinado com CO2 para formar CH4 sintético, a metanação também é uma ferramenta poderosa para o enriquecimento de biogás. Este trabalho apresenta uma abordagem integrada para a síntese, caracterização e aplicação de catalisadores à base de níquel e alumínio derivados de hidróxidos duplos lamelares (Ni–Al LDH), com foco na otimização de suas propriedades estruturais e catalíticas para a metanação de CO2. Quatro estudos complementares foram conduzidos. O primeiro investigou o efeito da razão molar Ni/Al, identificando o catalisador Ni70Al30 como o mais eficiente, com 85% de conversão de CO2 e 100% de seletividade para CH4 a 250 °C. O segundo avaliou o impacto das condições térmicas de calcinação e redução, demonstrando que a calcinação a 600 °C promove maior estabilidade estrutural, menor sinterização e melhor dispersão metálica. O terceiro estudo introduziu a condutividade residual como parâmetro crítico na etapa de lavagem durante a coprecipitação, revelando que diferentes níveis de íons residuais influenciam diretamente a área específica, a basicidade e a interação metal-suporte. O quarto demonstrou que a incorporação de sais de potássio (KCl, KNO3 e K2SO4) e a variação na quantidade de KCl influenciam significativamente as propriedades físico-químicas durante a etapa de síntese e o desempenho catalítico de catalisadores derivados de LDH de Ni-Al para a metanação de CO2. As caracterizações físico-químicas foram realizadas por meio de BET, XRD, TPR, TPD, XPS, ICP-OES e SEM. A análise de N2 por adsorção-desorção mostrou que a área específica dos catalisadores variou de 234 a 308 m2/g, sendo inversamente proporcional à temperatura de calcinação e à razão Ni/Al. A difração de raios X confirmou a formação de fases espinélio (NiAl2O4 e Ni2AlO4) e a presença de Ni⁰ após redução. A análise TPR revelou múltiplos picos de redução, indicando diferentes espécies de níquel com interações variadas com o suporte. A TPD de H2 mostrou que a dispersão metálica diminui com o aumento da razão Ni/Al, enquanto a TPD de CO2 evidenciou que os sítios básicos médios são os mais relevantes para a ativação do CO2. O desempenho catalítico dos materiais mostrou-se fortemente correlacionado com suas propriedades texturais, redox e de basicidade. O catalisador Ni70Al30, que apresentou uma razão molar otimizada entre níquel e alumínio, destacou-se por sua alta estabilidade térmica e resistência à deposição de carbono, mantendo sua cristalinidade após 50 horas de reação contínua. As análises pósreação por XRD e TPO confirmaram a preservação da estrutura metálica e a baixa formação de coque, enquanto os resultados de TPR e TPD indicaram uma distribuição uniforme de espécies redutíveis e sítios básicos médios, essenciais para a ativação eficiente do CO2. Esses fatores, combinados, contribuíram para a elevada conversão e seletividade observadas, evidenciando o papel crítico da engenharia de síntese e tratamento térmico na performance catalítica dos materiais Ni–Al LDH.