Preparação e caracterização de catalisadores metálicos suportados de níquel em substrato de alumina obtidos por processos térmicos e plasma

Abstract

A busca incessante por novos combustíveis e fontes de energia, tais como o hidrogênio, está intimamente conectada com o desenvolvimento de novos catalisadores. Embora o uso de catalisadores em processos químicos seja um dos princípios da química verde, a sua produção através dos métodos tradicionais não é. Sendo assim, visando obter catalisadores metálicos suportados mais eficientes através de processos mais sustentáveis, uma alternativa que vem ganhando notoriedade nos últimos anos é o emprego de plasmas em sua preparação. Neste âmbito, a técnica de magnetron sputtering surge como um método não convencional de obtenção de catalisadores. Baseado nisso, o presente trabalho consiste na preparação e caracterização de catalisadores de Ni suportado em Al2O3 produzidos através do processo de impregnação, secagem e calcinação (método convencional) e pela técnica de magnetron sputtering (método alternativo), de modo a comparar a metodologia proposta com a rota padrão de preparação de catalisadores metálicos suportados. A obtenção das amostras pela técnica a plasma foi conduzida em diferentes tempos de processo sob as mesmas condições de pressão, temperatura, atmosfera e tensão aplicada, sendo utilizados suportes com e sem a presença de uma camada microporosa de alumina (washcoat) na superfície. As amostras obtidas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura com emissão por efeito de campo (MEV-FEG), espectroscopia de energia dispersiva (EDS), difração de raios-X (DRX), espectroscopia Raman, espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X (XPS), magnetômetro de amostra vibrante (VSM) e espectrofotometria ótica. Aspectos como morfologia, composição química da superfície, fases e planos cristalinos presentes, tamanho médio e dispersão dos cristalitos, interação entre a fase ativa e o suporte, comportamento magnético e potencial catalítico foram avaliados. Os resultados obtidos permitiram verificar que o washcoat não revestiu completamente a superfície do suporte e apresentou baixa aderência ao mesmo. Já na ausência do washcoat, foi observada a tendência de formação de um filme fino de Ni na superfície do suporte. Além disso, foi verificado que a superfície de todos os catalisadores apresentou regiões metalizadas e regiões ricas em NiO, Ni(OH)2 e/ou NiOOH, mas apenas as amostras sem washcoat obtidas por plasma não exibiram a presença de moléculas de H2O e O2 adsorvidas na superfície. Diante dos resultados obtidos, foi constatado que o plasma consiste em um processo mais rápido, simples e sustentável de preparação de catalisadores metálicos suportados.

Abstract: The unremitting search for new fuels and energy sources, such as hydrogen, is closely connected with the development of new catalysts. Although the use of catalysts in chemical processes is one of the green chemistry principles, its production using traditional methods is not. Therefore, in order to obtain more efficient supported metal catalysts through more sustainable processes, an alternative that has gained notoriety in recent years is the use of plasmas in its preparation. In this context, the magnetron sputtering technique appears as an unconventional method for catalysts obtention. Based on this, the present work consists in the preparation and characterization of Ni catalysts supported on Al2O3 produced through impregnation, drying and calcination processes (conventional method) and by magnetron sputtering technique (alternative method), in order to compare the proposed methodology with the standard route for supported metal catalysts preparation. Samples obtained by plasma were achieved at different process times under the same conditions of pressure, temperature, atmosphere and voltage, using supports with and without the presence of a microporous alumina layer (washcoat) on the surface. The samples obtained were characterized by scanning electron microscopy with field emission gun (SEM-FEG), energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), vibrating-sample magnetometer (VSM) and optical spectrophotometry. Aspects such as morphology, chemical composition of the surface, crystalline phases and planes, average size and dispersion of crystallites, interaction between active phase and support, magnetic behavior and catalytic potential were evaluated. The results obtained allowed to verify that the washcoat did not completely cover the surface of the support and has low adherence to it. In the absence of washcoat, the tendency of forming a thin Ni film on the support surface was observed. In addition, it was found that the surface of all catalysts presented metallized regions and regions rich in NiO, Ni(OH)2 and/or NiOOH, but only samples without washcoat obtained by plasma did not show adsorbed H2O and O2 molecules on the surface. Due to the results obtained, it was found that plasma consists in a faster, simpler and more sustainable process for preparing supported metal catalysts.