Confinamento de nanopartículas de ZrO2 e Cu em nanotubos de carbono para hidrogenação de CO2 em metanol

dc.contributor.advisor1Bueno, José Maria Corrêa
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0157452280626031por
dc.contributor.authorIwasaki, Mariana Tiemi
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/1600626733759940por
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0001-9999-3812por
dc.date.accessioned2024-09-03T11:45:53Z
dc.date.available2024-09-03T11:45:53Z
dc.date.issued2024-05-29
dc.description.abstractThe CO2 hydrogenation reaction is a promising reaction because it enables the reduction of CO2 in the atmosphere and the utilization of H2 from renewable sources to produce useful chemical products for society. However, it is necessary to develop catalysts that are active, stable and selective to the desired product. Therefore, in this work, copper and zirconia catalysts supported on carbon nanotubes (CNT) were developed and their catalytic activity in the CO2 hydrogenation reaction to methanol was verified. The CNT catalysts were prepared by incipient impregnation and characterized by thermogravimetric analysis (TGA), RAMAN spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive X-ray analysis (EDX), temperature programmed reduction in hydrogen (H2-TPR) and N2 physisorption. Catalytic tests were carried out in a fixed bed reactor, with catalyst reduction at 1 bar and 300°C in H2 for 1 hour, followed by the CO2 hydrogenation reaction at 30 bar and 250°C with a mixture of 3H2:1CO2 for 10 hours. TEM images showed metallic oxide particles of CuO and/or ZrO2 with size 1-10 nm dispersed inside the CNTs. In the catalytic tests, the 10Cu/CNT catalyst showed low CO2 conversion (~5%) and high CO selectivity (~70%), indicating that methanol is produced by the reverse water gas shift reaction and CO hydrogenation pathway. The Cu/Zr, Cu/Zr/CNT and Zr/Cu/CNT catalysts are highly selective to methanol (~85%), indicating that ZrO2 and the Cu-O-Zr interface are important active sites for methanol production. The Cu/Zr/CNT, Zr/Cu/CNT and Cu/Zr catalysts showed a period of instability in methanol selectivity of 4 h, corresponding to a transient state in which a structural change is occurring in the catalyst during the reaction at 30 bar and 250ºC, that makes them more selective to methanol. The Zr/Cu/CNT catalyst can be reused, but it takes around 6 hours to stabilize the methanol selectivity. In the catalytic stability test, the Zr/Cu/CNT catalyst remained stable during the 54.5 h reaction, ending the reaction with a CO2 conversion of 30% and methanol selectivity of 89%. Therefore, the Zr/Cu/CNT catalyst is active, stable and methanol selective.eng
dc.description.resumoA reação de hidrogenação do CO2 é uma reação promissora, pois possibilita reduzir o CO2 da atmosfera e utilizar o H2 de fontes renováveis para produzir produtos químicos uteis para a sociedade. Contudo é necessário o desenvolvimento de catalisadores ativos, estáveis e seletivos ao produto desejado. Por isso, neste trabalho foram desenvolvidos catalisadores de cobre e zircônia suportados em nanotubos de carbono (CNT) e verificado a sua atividade catalítica na reação de hidrogenação do CO2 a metanol. Os catalisadores com CNT foram preparados por impregnação incipiente e caracterizados por análise termogravimétrica (TGA), espectroscopia RAMAN, difratometria de raios X (DRX), microscopia eletrônica de transmissão (MET), espectroscopia por dispersão de elétrons (EDS), redução a temperatura programada em hidrogênio (TPR-H2) e fisissorção do N2. Os testes catalíticos foram realizados em um reator de leito fixo com redução do catalisador a 1 bar e 300°C em H2 por 1 hora, seguido da reação de hidrogenação do CO2 a 30 bar e 250°C com uma mistura de 3H2:1CO2 por 10 horas. Por meio das imagens de MET, foi possível observar as partículas dos óxidos metálicos de CuO e/ou ZrO2 de tamanho de 1-10 nm dispersas dentro dos CNTs. Nos testes catalíticos, o catalisador de 10Cu/CNT apresentou uma baixa conversão do CO2 (~5%), e elevada seletividade ao CO (~70%), indicando que o metanol é produzido pela rota da reação de deslocamento reversível de água-gás e hidrogenação do CO. Os catalisadores de Cu/Zr, Cu/Zr/CNT e Zr/Cu/CNT são mais seletivos ao metanol (~85%), indicando que a ZrO2 e a interface Cu-O-Zr são sítios ativos importantes para a produção do metanol. Os catalisadores de Cu/Zr/CNT, Zr/Cu/CNT e Cu/Zr apresentaram um período de instabilidade na seletividade do metanol de 4 h, que se trata de um estado transiente, em que está ocorrendo uma alteração estrutural no catalisador durante a reação à 30 bar e 250ºC, que os torna mais seletivos a metanol. O catalisador Zr/Cu/CNT pode ser reutilizado, mas demora em torno de 6 h para estabilizar a seletividade do metanol. No teste catalítico de estabilidade, o catalisador Zr/Cu/CNT se manteve estável durante as 54,5 h de reação, finalizando a reação com conversão do CO2 de 30% e seletividade do metanol de 89%. Portanto, o catalisador de Zr/Cu/CNT é ativo, estável e seletivo a metanol.por
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)por
dc.description.sponsorshipIdProcesso n° 88887.508443/2020-00, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)por
dc.identifier.citationIWASAKI, Mariana Tiemi. Confinamento de nanopartículas de ZrO2 e Cu em nanotubos de carbono para hidrogenação de CO2 em metanol. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/20458.por
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/20458
dc.language.isoporpor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.publisher.addressCampus São Carlospor
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQpor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.subjectHidrogenação do CO2por
dc.subjectMetanolpor
dc.subjectCNTpor
dc.subjectCobrepor
dc.subjectZircôniapor
dc.subjectCO2 hydrogenationeng
dc.subjectMethanoleng
dc.subjectCoppereng
dc.subjectZirconiaeng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICApor
dc.titleConfinamento de nanopartículas de ZrO2 e Cu em nanotubos de carbono para hidrogenação de CO2 em metanolpor
dc.title.alternativeConfinement of ZrO2 and Cu nanoparticles into carbon nanotubes for hydrogenation of CO2 to methanoleng
dc.typeTesepor

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Tese final