Efeito do agente precipitante nas propriedades de catalisadores de hematita contendo alumínio e cobre

Abstract

Considerando a busca por tecnologias mais limpas e sustentáveis, o hidrogênio surge como uma das fontes de energia mais práticas e sustentáveis do futuro. Esse combustível é obtido comercialmente pela reforma de gás natural, seguido de uma etapa de purificação, conhecida como conversão de monóxido a dióxido de carbono com vapor d’água (reação de HTS, High Temperature Shift). Os catalisadores comerciais empregados nessa reação são constituídos por hematita (-Fe2O3) contendo cromo hexavalente, um íon tóxico aos seres humanos e ao meio ambiente. Por essa razão, diversas pesquisas têm sido desenvolvidas visando a substituir o cromo nesses sólidos. Com o objetivo de otimizar as propriedades de catalisadores baseados em hematita contendo alumínio (Fe/Al=10) e cobre (Fe/Cu=10) para a reação de HTS, neste trabalho, estudou-se o efeito do agente precipitante sobre as propriedades desses sólidos. As amostras foram preparadas através do processo sol-gel, misturando-se soluções de nitrato férrico e nitrato de alumínio e usando diferentes agentes precipitantes (hidróxido de sódio e hidróxido de amônio), seguida de impregnação com solução alcoólica de cobre. Os sólidos foram caracterizados por termogravimetria, espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier, difração de raios X, medida de área superficial específica e de porosidade, redução à temperatura programada e espectroscopia Mössbauer. Os catalisadores foram avaliados na reação de HTS a 1 atm e 400 °C. Observou-se a formação da hematita e magnetita nos catalisadores antes e após a reação, respectivamente, não se detectando nenhuma outra fase. Os dopantes foram inseridos na rede do óxido de ferro, o que pode ser explicado pela similaridade dos raios iônicos das espécies Cu+2, Al+3 e Fe+3; esse processo foi facilitado pelo hidróxido de amônio. Quando presentes isoladamente, o alumínio e o cobre aumentaram a área superficial específica dos sólidos obtidos com hidróxido de amônio mas o hidróxido de sódio inibiu a ação textural do cobre e alumínio, juntos ou isoladamente. O hidróxido de amônio favoreceu o desenvolvimento de mesoporos interparticulares nos sólidos macroporosos obtidos. A redutibilidade da hematita foi alterada pela presença dos dopantes e pela natureza do agente precipitante; o alumínio dificultou a formação da magnetita (Fe3O4) e do ferro metálico enquanto o cobre e o hidróxido de amônio facilitaram esses processos. Dessa forma, a presença simultânea dos dopantes favoreceu a formação da fase ativa (magnetita) e a estabilidade do catalisador, retardando sua desativação pela formação de ferro metálico. Todos os catalisadores foram ativos na reação de HTS, mas aqueles contendo cobre, e obtidos com hidróxido de sódio, foram os mais ativos, devido a um aumento na atividade dos sítios ativos e à maior facilidade de formação da fase ativa (magnetita). O papel do alumínio foi relacionado ao aumento da resistência dos catalisadores à redução da fase ativa. O catalisador mais promissor foi aquele preparado com hidróxido de sódio, que apresentou elevada atividade (10,68 x 10-7 mol.s-1.g-1) e alta resistência à redução da fase ativa (magnetita), com a vantagem de não ser tóxico, podendo ser manuseado e descartado sem risco à saúde humana e ao meio ambiente.

Considering the search for cleaner and more sustainable technologies, hydrogen emerges as one of the most practical and sustainable energy source in the future. This fuel is commercially obtained by natural gas reforming, followed by a purification step known as the water gas shift reaction at high temperatures (HTS, High Temperature Shift). The commercial catalysts for this reaction are composed of hematite (-Fe2O3) containing hexavalent chromium, a toxic ion to humans and the environment. For this reason, many studies have been carried out aiming to replace chromium in these solids. In order to optimize the properties of catalysts based on hematite containing aluminum (Fe/Al= 10) and copper (Fe/Cu= 10) for the HTS reaction, the effect of precipitating agent on the properties of these solids was studied in this work. Samples were prepared by sol-gel process by mixing solutions of iron nitrate and aluminum nitrate and using different precipitating agents (sodium hydroxide and ammonium hydroxide) and impregnated with an alcoholic solution of copper. The solids were characterized by thermogravimetry, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction, specific surface area and porosity measurement, temperature programmed reduction and Mössbauer spectroscopy. The catalysts were evaluated in the HTS reaction at 1 atm and 400 °C. It was found hematite and magnetite in the catalysts before and after reaction, respectively and no other phase was detected. The dopants were found to be into the iron oxide lattice, a fact that was explained by the similarity of the ionic radii of Cu+2, Al+3 and Fe+3 species, this process being facilitated by ammonium hydroxide. Aluminum and copper alone increased the specific surface area of the solids obtained with ammonium hydroxide but sodium hydroxide inhibited the textural action of copper and aluminum, together or separately. Ammonium hydroxide favored the development of nterparticlemesopores in the macroporous solids obtained. The reducibility of hematite was changed by the dopants and by the kind of the precipitating agent, aluminum hindering the formation of magnetite (Fe3O4) and metallic iron while copper and ammonium hydroxide facilitated this process. Therefore, the dopants favored the formation of active phase (magnetite) and the catalyst stability, delaying its deactivation through the formation of metallic iron. All catalysts were active in HTS reaction, those containing copper and obtained with sodium hydroxide being the most active ones, due to increase in the activity of the active sites and the ease of formation of active phase (magnetite). The role of aluminum was related to increased resistance to reduction of the active phase. The most promising catalyst was the one prepared with sodium hydroxide, which showed high activity (10.68 x 10- 7 mol.s-1.g-1) and high resistance against the reduction of the active phase (magnetite), with the advantage of being non-toxic and can be handled and disposed without risk to human health and the environment.