Influência de agentes de ativação na geração de espécies ativas em zeólitas Cu-ZSM-5 – aplicação na conversão de metano a metanol
| dc.contributor.advisor1 | Urquieta-González, Ernesto Antonio | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/2389975677904655 | por |
| dc.contributor.advisor1orcid | https://orcid.org/0000-0001-5141-6004 | por |
| dc.contributor.author | Mata, João Emanuel Cabral da | |
| dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/9527354512863079 | por |
| dc.contributor.authororcid | https://orcid.org/0000-0002-4134-0525 | por |
| dc.date.accessioned | 2024-02-08T13:41:17Z | |
| dc.date.available | 2024-02-08T13:41:17Z | |
| dc.date.issued | 2023-12-01 | |
| dc.description.abstract | Climate change is a current topic of much debate around the world and is a consequence of the impact of the intensification of the greenhouse effect caused by the accumulation in the atmosphere of gases such as carbon dioxide, nitrous oxide, carbon monoxide, methane (CH4), among others. Therefore, it is necessary to develop ways to add value to these gases and minimize their emissions. In the case of methane, the challenge is its direct conversion to produce methanol via heterogeneous catalysis and in compliance with the principles of green chemistry. The most widely studied catalysts for this reaction are oxocation-exchanged zeolites (CuxOy). The formation of these species is influenced by factors intrinsic to the catalyst preparation process, such as conditions of incorporation of copper cations, activation agent and operating conditions, among others. Therefore, this work aimed to evaluate the generation and nature of copper oxo-cations in ZSM-5 zeolites by varying the activation agent (O2, CO2, Ar or synthetic air) and verify the activity of these species in the conversion direct methane to methanol (MTM). As precursors, NH4-ZSM-5 zeolites (Si/Al = 11,5 and 15) were used, which were subjected to ion exchange with copper acetate. The zeolites were characterized by X-ray diffractometry (XRD), reduction with hydrogen at programmed temperature (H2-RTP), nitrogen physisorption, X-ray fluorescence (FRX), ammonia desorption at programmed temperature (NH3-DTP) and analyzes FTIR in transmission mode with pyridine adsorbed in situ. The reaction process occurred in three stages: (1) activation of Cu-ZSM-5 using CO2, O2, synthetic air and He as activating agents; (2) MTM reaction; (3) ex situ extraction of methanol using ethanol. To identify the active species and their consumption in the reaction, in situ DRS-UV-vis analyzes were carried out. XRD and H2-RTP results showed that the Cu-Z(11,5)_2x24 sample was the most suitable for catalytic tests and more complex characterizations as it has more Cu atoms in exchange positions in the zeolite. The catalytic tests showed that all the activation agents used were capable of generating active species and forming MeOH, however, the species generated by the O2 and CO2 agents produced less methanol than the species generated using synthetic air and an inert gas, showing that with The species generated by O2 and CO2 may have seen overoxidation of methane to CO and CO2 or clusters of Cu oxocations inactive for the DMTM reaction have formed. The DRS-UV-Vis spectra showed the formation of oxocation species with all activating agents under study and also the species that were consumed during the reaction, being intermediates such as µ-(ƞ2:ƞ2)peroxo dicobre and trans-1,2-peroxo dicobre species, [CuxOy], [Cux(OH)x], Z2-Cu(II) and Z[Cu(II)O]. Synthetic air proved to be the most suitable activation agent, as it is the most sustainable and capable of forming species sufficiently active in the DMTM reaction. | eng |
| dc.description.resumo | As mudanças climáticas são pautas atuais muito debatidas no mundo e são consequência do impacto da intensificação do efeito estufa causado pelo acúmulo na atmosfera de gases como o dióxido de carbono, óxido nitroso, monóxido de carbono, metano (CH4), entre outros. Assim, torna-se necessário desenvolver meios para agregar valor a esses gases e minimizar suas emissões. No caso do metano, o desafio colocado é sua conversão direta para produzir metanol via catálise heterogênea e atendendo os princípios da química verde. Os catalisadores mais amplamente estudados para essa reação são zeólitas trocadas com oxocátions (CuxOy). A formação dessas espécies é influenciada por fatores intrínsecos ao processo de preparação do catalisador, tais como condições de incorporação dos cátions de cobre, agente de ativação e condições de operação, dentre outros. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo avaliar a geração e natureza de oxo-cátions de cobre em zeólitas ZSM-5 ao se variar o agente de ativação (O2, CO2, Ar ou ar sintético) e se verificar a atividade dessas espécies na conversão direta de metano a metanol (MTM). Como precursoras foram utilizadas zeólitas NH4-ZSM-5 (Si/Al = 11,5 e 15), as quais foram submetidas a troca iônica com acetato de cobre. As zeólitas foram caracterizadas por difratometria de raios X (DRX), redução com hidrogênio à temperatura programada (H2-RTP), fisissorção de nitrogênio, fluorescência de raios X (FRX), dessorção de amônia à temperatura programada (NH3-DTP) e análises de FTIR no modo de transmissão com piridina adsorvida in situ. O processo reacional ocorreu em três etapas: (1) ativação das Cu-ZSM-5 utilizando como agentes ativantes CO2, O2, ar sintético e He; (2) reação MTM; (3) extração ex situ do metanol utilizando etanol. Para a identificação das espécies ativas e o seu consumo na reação, realizaram-se análises in situ de DRS-UV-vis. Resultados de DRX e H2-RTP mostraram que a amostra Cu-Z(11,5)_2x24 foi a mais indicada para os ensaios catalíticos e caracterizações mais complexas por possuir mais átomos de Cu em posição de troca na zeólita. Os ensaios catalíticos mostraram que todos os agentes de ativação empregados foram capazes de gerar espécies ativas e formar MeOH, no entanto, as espécies geradas pelos agentes O2 e CO2 produziram menos metanol que as espécies geradas usando ar sintético e um gás inerte, mostrando que com as espécies geradas pelo O2 e CO2 pode ter ocorrido overoxidation do metano a CO e CO2 ou terem se formado aglomerados de oxocátions de Cu inativos para a reação DMTM. Os espectros de DRS-UV-Vis mostraram a formação de espécies oxocátions com todos os agentes de ativação em estudo e, também, as espécies que foram consumidas durante a reação, sendo elas intermediários tais como µ-(ƞ2:ƞ2)peroxo dicobre e espécies trans-1,2-peroxo dicobre, [CuxOy], [Cux(OH)x], Z2-Cu(II) e Z[Cu(II)O]. O ar sintético mostrou ser o agente de ativação mais adequado, por ser o mais sustentável e capaz de formar espécies suficientemente ativas na reação DMTM. | por |
| dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | por |
| dc.description.sponsorshipId | Processo CNPq nº 165735/2021-0 | por |
| dc.identifier.citation | MATA, João Emanuel Cabral da. Influência de agentes de ativação na geração de espécies ativas em zeólitas Cu-ZSM-5 – aplicação na conversão de metano a metanol. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/19232. | * |
| dc.identifier.uri | https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/19232 | |
| dc.language.iso | por | por |
| dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | por |
| dc.publisher.address | Câmpus São Carlos | por |
| dc.publisher.initials | UFSCar | por |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ | por |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ | * |
| dc.subject | Metano | por |
| dc.subject | Metanol | por |
| dc.subject | Zeólitas Cu-ZSM-5 | por |
| dc.subject | Agentes de ativação | por |
| dc.subject | Oxocátions de Cu2+ | por |
| dc.subject | DRS-UV-Vis in situ | por |
| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA | por |
| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA | por |
| dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA | por |
| dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA | por |
| dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA | por |
| dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS | por |
| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::CINETICA QUIMICA E CATALISE | por |
| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA::DETERMINACAO DE ESTRUTURA DE COMPOSTOS INORGANICOS | por |
| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA | por |
| dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA::ALCOOL | por |
| dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA::PETROLEO E PETROQUIMICA | por |
| dc.title | Influência de agentes de ativação na geração de espécies ativas em zeólitas Cu-ZSM-5 – aplicação na conversão de metano a metanol | por |
| dc.title.alternative | Influence of activating agents on the generation of active species in Cu-ZSM-5 zeolites – application in the conversion of methane to methanol | eng |
| dc.type | Dissertação | por |
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