Síntese e caracterização de óxido de níquel e sua aplicação na reação de desidrogenação oxidativa de etano

Abstract

Neste trabalho, foram investigados as propriedades e o comportamento catalítico de óxido de níquel na reação de desidrogenação oxidativa de etano em eteno (ODH), subdividido em três subseções: influência de precursores; efeito da temperatura de calcinação e efeito da concentração do promotor. Todas as amostras foram caracterizadas por XRD, FTIR, UV-Vis, SEM e TEM. A atividade catalítica e a seletividade na reação ODH foram quantificadas em linha por cromatografia gasosa. Na primeira estudou-se a influência do precursor, sintetizando seis precursores diferentes por diferentes métodos de síntese: a-hidróxido, ß-hidróxido, hidróxido misto, nitro-hidróxido, carbonato básico e oxalato de níquel. Os óxidos obtidos apresentaram estrutura cúbica com diferentes graus de cristalinidade, tamanho de partícula, área superficial específica e morfologia. Os óxidos resultantes dos precursores carbonato básico e hidróxido misto apresentaram as maiores áreas superficiais de 197 e 155 m²/g e partículas na ordem de 5 a 6 nm. O melhor desempenho catalítico foi atribuído ao precursor de hidróxido alfa com 22% de conversão e 66% de seletividade para etileno; nesse caso, o óxido apresentou estrutura esponjosa e porosa de diâmetro médio de 56 Å. Os ensaios realizados a 270 ° C mostraram uma variação da atividade intrínseca entre 4,24 × 10-10 e 15,90 × 10-10 µmol.m-2.s-1, e energia de ativação de 66-81 kJ/mol. O óxido obtido a partir do a-Ni(OH)2 apresentou maior rendimento e menor energia do band gap, 2,69 eV, em relação aos demais, denotando a possibilidade de sua influência no desempenho catalítico da reação etano ODH. Na segunda subseção, foi selecionado o ß-Ni(OH)2 sintetizado por precipitação-oxidação para estudar o efeito do tratamento térmico na propriedade dos óxidos. Assim como na seção anterior, os produtos obtidos apresentaram estrutura cúbica de NiO puro com diferentes graus de cristalinidade, tamanho do cristalito e área de superfície específica. O aumento da temperatura de calcinação causou um aumento no tamanho médio do cristalito de 28 Å a 250 ° C para 104 Å a 400 ° C, enquanto a forma das partículas não apresentou diferenças significativas; o diâmetro do poro aumentou de 35 Å para 69 Å e a área de superfície específica diminuiu de 245 m2/g para 82 m2/g. O teste realizado a 240 °C mostrou um decréscimo na conversão, de 8,75% para 4,25%; as amostras mais cristalinas apresentaram a maior atividade intrínseca com seletividade ao eteno próxima a 60%. Nenhuma influência da energia de band gap nas propriedades catalíticas foi observada. Na subseção três, foi investigado o efeito de dopagem por cátions Na+ nas propriedades e no comportamento catalítico de soluções sólidas de NiO. Um planejamento fatorial 23 com ponto central em triplicata foi utilizado para avaliar o efeito de três parâmetros independentes (tempo de reação, temperatura de lavagem e temperatura de calcinação) e sua influência na atividade catalítica de cada amostra. Além disso, foram estudadas propriedades como a composição, tamanho de partícula, tamanho de cristalito, energia de gap óptico e como eles influenciam a atividade e seletividade das amostras. Os resultados indicaram a formação de estrutura cristalina homogêneo com a mesma estrutura do óxido de níquel inicial, indicando a formação da solução sólida. Altas concentrações de Na+ resultaram na diminuição da atividade catalítica, mas apresentando melhor seletividade ao etileno. Baixas concentrações de Na+ apresentaram um aumento da atividade catalítica, correspondendo a uma conversão de 22%, mas com seletividade moderada ao etileno entre 66-68%. A temperatura de calcinação foi o fator maior influência para a tamanho do cristal de NiO. Os melhores rendimentos ao etileno e a maior estabilidade nas condições de reação foram obtidos nos catalisadores de baixas concentrações de Na+. Demonstrou-se que a introdução de sódio foi benéfica para ODH, aumentando a seletividade do eteno para valores maiores que 90% com uma queda relativamente pequena na reatividade para o etano conforme a concentração de sódio aumenta.

Abstract: In this work, the properties and catalytic behavior of nickel oxide in the oxidative dehydrogenation reaction of ethane (ODH) in ethene were investigated, subdivided into three subsections: influence of precursors; effect of calcination temperature and effect of promoter concentration. All samples were characterized by XRD, FTIR, UV-Vis, SEM and TEM. The catalytic activity and selectivity in the ODH reaction were quantified online by gas chromatography. In the first one, the influence of the precursor was studied, synthesizing six different precursors by different methods: a-hydroxide, ß-hydroxide, mixed hydroxide, nitro-hydroxide, basic carbonate and nickel oxalate. The oxides obtained showed cubic structure with different degrees of crystallinity, particle size, specific surface area and morphology. The oxides resulting from the precursors basic carbonate and mixed hydroxide had the largest surface areas of 197 and 155 m²/g and particles in the order of 5 to 6 nm. The best catalytic performance was attributed to the alpha hydroxide precursor with 22% conversion and 66% selectivity for ethylene; in this case, the oxide presented a sponge-like and porous structure with an average diameter of 56 Å. Assays performed at 270 °C showed a variation in intrinsic activity between 4.24 × 10-10 and 15.90 × 10-10 µmol.m-2.s-1, and activation energy of 66-81 kJ/mol. The oxide obtained from a-Ni(OH)2 showed higher yield and lower band gap energy 2.69 eV when compared to the others, denoting the possibility of its influence on the catalytic performance of the ethane ODH reaction. In the second subsection, the ß-Ni(OH)2 synthesized by precipitation-oxidation was selected to study the effect of heat treatment on the properties of oxides. As in section one, the products obtained presented cubic structure of pure NiO with different degrees of crystallinity, crystallite size and specific surface area. The increase in the calcination temperature caused an increase in the mean crystallite size from 28 Å at 250 °C to 104 Å at 400 °C, while the shape of the particles did not show significant differences; the pore diameter increased from 35 Å to 69 Å and the specific surface area decreased from 245 m2/g to 82 m2/g. The test performed at 240 °C showed a decrease in conversion, from 8.75% to 4.25%; the most crystalline samples showed the highest intrinsic activity with selectivity to ethylene close to 60%. No influence of gap energy on catalytic properties was observed. In subsection three, the effect of doping by Na+ cations on the properties and catalytic behavior of solid NiO solutions was investigated. A 23 factorial design with a triplicate central point was used to evaluate the effect of three independent parameters (reaction time, washing temperature and calcination temperature) and their influence on the catalytic activity of each sample. In addition, the study of physicochemical properties such as composition, particle size, crystallite size and optical gap energy band and how they influence the activity and selectivity of samples. The results indicated a homogeneous crystal with the same structure as the initial nickel oxide, indicating the formation of a solid solution. At high concentrations of Na+, they resulted in decreased catalytic activity, but with better selectivity to ethylene. Low concentrations of Na+ showed an increase in catalytic activity, resulting in a conversion of 22%, but with moderate selectivity to ethylene between 66-68%. The calcination temperature was the most influential factor on the NiO crystal size. The best ethylene yields and the greatest stability under reaction conditions were obtained in catalysts with low Na+ concentrations. The introduction of sodium was the most beneficial for ethane ODH, increasing the ethene selectivity for values greater than 90% with a relatively small drop in reactivity toward ethane as the sodium concentration increases.