Preparação via processo sol-gel de catalisadores a base de níquel na reação de deslocamento gás-água: efeito do ácido fosfotungstico e organosilanos

• Main Author: Renato Antonio Barba Encarnación
• Other Authors: Ubirajara Pereira Rodrigues Filho
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2014
• Subjects: ácido fosfotungstico; organosilanos; reação de deslocamento gás-água; sol-gel; organosilanes; phosphotungstic acid; water-gas shift reaction
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/75/75134/tde-27082014-092235/

Esta dissertação mostra um estudo preliminar da preparação de precursores catalíticos a base de níquel (II) e de sua conversão em catalisadores de xerogéis contendo níquel (NS), bem como o estudo da sua atividade catalítica na reação de deslocamento gás-água. Esta reação foi escolhida como reação modelo para avaliar a atividade catalítica, em especial frente a adição do ácido fosfotungstico (HPW) como promotor catalítico e de organosilanos como agentes promotores da dispersão do Ni. Foram preparados catalisadores NS e NS-x (x = 0,5; 1; 2; 3; 5 e 10% em massa de HPW) via processo sol-gel. A caracterização estrutural foi realizada utilizando-se as técnicas de Energia Dispersiva de Raios X, Difratometria de Raios X, Redução a Temperatura Programada, Fisissorção de Nitrogênio, Espectroscopia de Absorção de Raios X e Espectroscopia de Absorção na Região do Infravermelho. Os testes catalíticos foram realizados no Laboratório de Catálise Heterogênea do IQSC/USP numa temperatura de 250-425 °C, em uma lin ha de reação acoplada a um cromatógrafo a gás para análises in situ dos produtos reacionais gasosos. Os resultados obtidos da primeira parte mostraram que a adição do HPW até 2% em massa de precursor catalítico leva a uma melhora gradual na atividade catalítica de 10 a 31 % medido pela taxa de conversão do CO. Contudo acima de 2% ocorre uma queda de atividade catalítica resultando num comportamento global da conversão de CO do tipo gaussiano com o máximo em 2%. Para explicar este comportamento um modelo qualitativo é proposto baseado na formação de fosfotungstato de níquel amorfo acima de 2%. Na segunda parte do trabalho, a concentração de HPW foi fixada em 2% e a temperatura de reação em 425 °C e foram adicionados organosilanos nitrogenados (amino e nitrila) para avaliar a sua capacidade de funcionar como agentes de dispersão do cátion metálico no precursor híbrido (Ormosil) e do metal no catalisador. O catalisador proveniente do precursor contendo grupo amina possui maior atividade catalítica que aquele contendo nitrila, porém ambos possuem menor atividade que o xerogel catalítico obtido de precursores sem grupos nitrogenados. Contudo, os catalisadores preparados a partir de Ormosils mostravam-se estáveis ao longo do tempo da reação estudada quando comparados com os xerogeis NS-x. === This dissertation describes the preparation of Ni (II)-based catalyst precursor material and its subsequent conversion to Ni-based xerogels catalyst as well as the catalytic activity of the resultant catalyst in water-gas shift reaction. The water-gas shift reaction was selected as a model reaction for the evaluation of catalytic activity of the prepared catalysts. The effect of addition of phosphotungstic acid (HPW) as an activity promoting agent and organosilane as dispersing agents of Ni was also studied. For this purpose, Ni-based catalyst (NS-x) containing various amounts (x) of HPW (x= 0, 0.5, 1, 2, 3, 5, 10 wt. %) were prepared using the sol-gel process. These catalysts were characterized by x-ray diffraction (XRD), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX), temperature-programmed reduction (TPR), nitrogen adsorption measurements (BET method) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The catalytic tests were performed at a temperature of 250-425 °C in a reactor coupled with gas chromatograph (GC) for direct in situ analysis of the reaction products. The results obtained showed that addition of HPW up to 2 wt % leads to an increase in the efficiency of the catalyst from 10% to 31%, as measured by the rate of conversion of CO. However, further increase in the amount of HPW above 2 wt. % leads to a decrease in activity of the catalyst. A qualitative model based on the formation of amorphous Ni-phosphotungstate salt is proposed to explain this behaviour of the catalyst. In a second part of this study, the amount of HPW (2 wt. %) and temperature (425 °C) were fixed and nitrogenate d silanes with amine and nitrile functional groups were added to the catalyst to evaluate the role of these ormosils as dispersing agents for metallic cations in the hybrid precursor material as well as metallic nickel in the final catalyst. The catalyst derived from precursor containing ormosils with ammine functional groups (3-Aminopropyltriethoxysilane) showed better catalytic activity than those containing nitrile functional groups (4-(Triethoxysilyl)butyronitrile). However, the catalytic activity of the catalysts obtained using ormosils bearing nitrogenated silanes was lower than xerogels catalyst prepared without addition of these silanes. Although, the catalysts prepared using the ormosils bearing nitrogenated silanes showed higher stability than NS-x catalyst.