Catalisadores de níquel-zircônia suportados em nanotubos de carbono para reação de metanação de CO₂

dc.contributor.advisor1Santos, João Batista Oliveira dos
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0285313473901330
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-8872-0410
dc.contributor.authorOliveira, João Pedro Bueno de
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/9424948456049602
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0009-0000-3370-3915
dc.date.accessioned2025-04-23T12:00:41Z
dc.date.issued2025-02-27
dc.description.abstractThe conversion of CO2 into methane via the methanation reaction has attracted significant interest due to its potential to mitigate greenhouse gas emissions and contribute to the production of sustainable fuels. In this context, nickel-based (Ni) catalysts stand out due to their high activity, selectivity, and favorable cost-effectiveness. However, the stability and resistance to sintering of Ni catalysts remain significant challenges. This study investigates the performance of Ni and Ni-ZrO2 catalysts supported on carbon nanotubes (CNTs) with the aim of optimizing their catalytic properties through the internal impregnation of active species. The impregnation of metals within the CNTs seeks to enhance the dispersion of metallic nanoparticles, reduce sintering, and increase the thermal and chemical stability of the catalysts during the reaction. The catalysts were prepared using the incipient wet impregnation method, employing functionalized CNTs as a support. Structural and textural characterization was performed using various techniques, including X-ray diffraction (XRD), nitrogen physisorption, thermogravimetric analysis (TGA), X-ray fluorescence spectroscopy (XRF), transmission electron microscopy (TEM), and temperature-programmed reduction (TPR-H2). These analyses allowed for the evaluation of morphology, metal dispersion, and the interaction between Ni and ZrO2 within the CNT supports. Catalytic tests were conducted in a quartz tubular reactor coupled to a gas chromatograph, operating at different temperatures (200–400°C) and using a molar H2:CO2 ratio of 4:1. CO2 conversion and methane selectivity were calculated based on carbon balance. Additionally, the stability of the catalysts was assessed through prolonged tests at 350°C for 24 hours. The results indicated that the combination of Ni and ZrO2 within CNTs significantly improves metal dispersion, leading to a larger active surface area and enhancing the efficiency of the methanation reaction. Catalysts prepared by co-impregnation exhibited superior performance in terms of CO2 conversion and CH4 selectivity compared to those prepared by sequential impregnation. The presence of ZrO2 was crucial for maintaining catalytic activity over time. Furthermore, it was observed that the impregnation of Ni after the addition of ZrO2 favored metal interaction, promoting a synergistic effect that enhanced catalyst stability. Based on the obtained data, it can be concluded that the use of CNTs as a support, combined with Ni and ZrO2, represents an efficient approach for developing more stable and effective catalysts for CO2 methanation. Catalysts employing the co-impregnation strategy demonstrated advantages in maintaining metal dispersion and thermal stability, making them a promising alternative for industrial applications focused on CO2 valorization and the production of sustainable synthetic fuels.eng
dc.description.resumoA conversão de CO₂ em metano via reação de metanação tem atraído grande interesse devido ao seu potencial para mitigar emissões de gases de efeito estufa e contribuir para a produção de combustíveis sustentáveis. Neste contexto, catalisadores à base de níquel (Ni) se destacam devido à sua alta atividade, seletividade e relação custo-benefício favorável. No entanto, a estabilidade e a resistência à sinterização dos catalisadores de Ni ainda representam desafios significativos. Este trabalho investiga o desempenho de catalisadores de Ni e Ni-ZrO₂ suportados em nanotubos de carbono (CNTs), com o objetivo de otimizar suas propriedades catalíticas por meio da impregnação das espécies de Ni e ZrO₂ no interior dos CNTs. A impregnação dos metais dentro dos CNTs busca aprimorar a dispersão das nanopartículas metálicas, reduzir a sinterização e aumentar a estabilidade térmica e química dos catalisadores durante a reação. Os catalisadores foram preparados pelo método de impregnação incipiente, utilizando CNTs funcionalizados como suporte. A caracterização estrutural e textural foi realizada por diversas técnicas, incluindo difração de raios X (DRX), fisissorção de N₂, termogravimetria (TGA), espectroscopia de fluorescência de raios X (FRX), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e redução a temperatura programada (TPR-H₂). Essas análises permitiram avaliar a morfologia e a interação entre Ni e ZrO₂ nos suportes de CNTs. Os testes catalíticos foram conduzidos em um reator tubular de quartzo, acoplado a um cromatógrafo a gás, operando em diferentes temperaturas (200-400 °C) e utilizando uma razão molar H2:CO₂ de 4:1. A conversão de CO₂ e a seletividade para metano foram calculadas a partir do balanço de carbono. Além disso, a estabilidade dos catalisadores foi avaliada em testes prolongados a 350 °C por 24 horas. Os resultados indicaram que a combinação de Ni e ZrO₂ nos CNTs melhora significativamente a dispersão do metal, resultando em maior área específica ativa e melhorando a eficiência da reação de metanação. Os catalisadores preparados por coimpregnação apresentaram melhor desempenho em termos de conversão de CO₂ e seletividade para metano, quando comparados aos preparados por impregnação sequencial. A presença de ZrO₂ foi fundamental para a atividade ao longo do tempo. Além disso, observou-se que a impregnação de Ni depois da adição de ZrO₂ favoreceu a interação entre os metais, promovendo um efeito sinérgico que aprimorou a estabilidade do catalisador. Com base nos dados obtidos, conclui-se que o uso de CNTs como suporte, aliado à combinação de Ni e ZrO₂, representa uma abordagem eficiente para o desenvolvimento de catalisadores mais estáveis e eficazes na conversão de CO₂ em metano. Catalisadores utilizando a estratégia de coimpregnação demonstraram vantagens na manutenção da dispersão dos metais e na estabilidade térmica do catalisador, tornando-se uma alternativa promissora para aplicações industriais voltadas à valorização do CO₂ e à produção de combustíveis sintéticos sustentáveis.
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipIdProcesso nº 141075/2021-0, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
dc.description.sponsorshipIdProcesso nº 88881.980458/2024-01, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
dc.identifier.citationOLIVEIRA, João Pedro Bueno de. Catalisadores de níquel-zircônia suportados em nanotubos de carbono para reação de metanação de CO₂. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21937.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/21937
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectNanotubos de carbonos
dc.subjectMetano
dc.subjectZircônia
dc.subjectCO2
dc.subjectNíquel
dc.subjectMetanação do CO2
dc.subjectCarbon nanotubeseng
dc.subjectMethaneeng
dc.subjectZrO2eng
dc.subjectNickeleng
dc.subjectCNTeng
dc.subjectCO2 methanationeng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA
dc.titleCatalisadores de níquel-zircônia suportados em nanotubos de carbono para reação de metanação de CO₂
dc.title.alternativeNickel-zirconia catalysts supported on carbon nanotubes for CO₂ methanation reactioneng
dc.title.alternativeCatalizadores de níquel-circonio soportados sobre nanotubos de carbono para la reacción de metanización de CO₂spa
dc.typeTese

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A conversão de CO₂ em metano via reação de metanação tem atraído grande interesse devido ao seu potencial para mitigar emissões de gases de efeito estufa e contribuir para a produção de combustíveis sustentáveis. Neste contexto, catalisadores à base de níquel (Ni) se destacam devido à sua alta atividade, seletividade e relação custo-benefício favorável. No entanto, a estabilidade e a resistência à sinterização dos catalisadores de Ni ainda representam desafios significativos. Este trabalho investiga o desempenho de catalisadores de Ni e Ni-ZrO₂ suportados em nanotubos de carbono (CNTs), com o objetivo de otimizar suas propriedades catalíticas por meio da impregnação das espécies de Ni e ZrO₂ no interior dos CNTs. A impregnação dos metais dentro dos CNTs busca aprimorar a dispersão das nanopartículas metálicas, reduzir a sinterização e aumentar a estabilidade térmica e química dos catalisadores durante a reação. Os catalisadores foram preparados pelo método de impregnação incipiente, utilizando CNTs funcionalizados como suporte. A caracterização estrutural e textural foi realizada por diversas técnicas, incluindo difração de raios X (DRX), fisissorção de N₂, termogravimetria (TGA), espectroscopia de fluorescência de raios X (FRX), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e redução a temperatura programada (TPR-H₂). Essas análises permitiram avaliar a morfologia e a interação entre Ni e ZrO₂ nos suportes de CNTs. Os testes catalíticos foram conduzidos em um reator tubular de quartzo, acoplado a um cromatógrafo a gás, operando em diferentes temperaturas (200-400 °C) e utilizando uma razão molar H2:CO₂ de 4:1. A conversão de CO₂ e a seletividade para metano foram calculadas a partir do balanço de carbono. Além disso, a estabilidade dos catalisadores foi avaliada em testes prolongados a 350 °C por 24 horas. Os resultados indicaram que a combinação de Ni e ZrO₂ nos CNTs melhora significativamente a dispersão do metal, resultando em maior área específica ativa e melhorando a eficiência da reação de metanação. Os catalisadores preparados por coimpregnação apresentaram melhor desempenho em termos de conversão de CO₂ e seletividade para metano, quando comparados aos preparados por impregnação sequencial. A presença de ZrO₂ foi fundamental para a atividade ao longo do tempo. Além disso, observou-se que a impregnação de Ni depois da adição de ZrO₂ favoreceu a interação entre os metais, promovendo um efeito sinérgico que aprimorou a estabilidade do catalisador. Com base nos dados obtidos, conclui-se que o uso de CNTs como suporte, aliado à combinação de Ni e ZrO₂, representa uma abordagem eficiente para o desenvolvimento de catalisadores mais estáveis e eficazes na conversão de CO₂ em metano. Catalisadores utilizando a estratégia de coimpregnação demonstraram vantagens na manutenção da dispersão dos metais e na estabilidade térmica do catalisador, tornando-se uma alternativa promissora para aplicações industriais voltadas à valorização do CO₂ e à produção de combustíveis sintéticos sustentáveis.