Análise de monólito metálico de aço inox 316L como suporte para catalisadores de Ni/y-Al2O3 em reações de alta temperatura

Abstract

A crescente preocupação com as emissões de gases poluentes tem impulsionado pesquisas em fontes alternativas de energia, com destaque para o hidrogênio (H2). A reforma a vapor de etanol apresenta-se como uma rota promissora para produção sustentável de H2, especialmente quando otimizada com catalisadores estruturados. Este trabalho desenvolve um catalisador Ni/?-Al2O3 com substrato de aço inoxidável 316L fabricado por manufatura aditiva com alta estabilidade em ciclos de alta temperatura. O substrato foi fabricado por fusão seletiva a laser (SLM) com geometria cúbica orientada a 45°, seguido de tratamentos superficiais térmicos e químicos. A caracterização por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva (EDS) revelou que defeitos e a rugosidade inerentes à manufatura aditiva favorecem a aderência dos revestimentos. Além disso, tratamentos térmicos e exposição a ácido nítrico aumentaram a rugosidade da superfície e promoveram a formação de camadas passivas protetoras, embora ajustes sejam necessários para otimizar os monólitos. O recobrimento com ?-Al2O3 apresentou excelente aderência (>94%) após ciclos térmicos a 600 °C, apesar da migração de elementos (Fe e Cr) do substrato. A impregnação com níquel resultou em depósitos homogêneos, com teores entre 4-13% e boa dispersão superficial. O monólito não recoberto exibiu atividade catalítica intrínseca na reação de reforma a vapor de etanol (67-91% de conversão e ~56% de seletividade para H2 entre 500-600 °C), com possível formação in situ de sítios ativos na superfície do aço inoxidável. O catalisador Ni/?-Al2O3 depositado no monólito demonstrou conversão completa a partir de 425 °C e seletividade para H2 de 68,7% a 500 °C. Os resultados indicam que a abordagem integrada de manufatura aditiva, pré-tratamentos específicos e deposição controlada é promissora para o desenvolvimento de catalisadores estruturados com alta estabilidade térmica e mecânica. Essa estratégia reforça o potencial dos catalisadores metálicos fabricados por manufatura aditiva para aplicações em condições severas.

Abstract: The growing concern about pollutant gas emissions has impulsioned research into alternative energy sources, with emphasis on hydrogen (H2). Ethanol steam reforming presents itself as a promising route for sustainable H2 production, especially when optimized with structured catalysts. This work develops a Ni/?-Al2O3 catalyst with 316L stainless steel substrate manufactured by additive manufacturing with high stability in high-temperature cycles. The substrate was fabricated by selective laser melting (SLM) with 45°-oriented cubic geometry, followed by thermal and chemical surface treatments. Characterization by scanning electron microscopy (MEV) and energy dispersive spectroscopy (EDS) revealed that defects and roughness inherent to additive manufacturing favor the adhesion of coatings. Furthermore, thermal treatments and exposure to nitric acid increased surface roughness and promoted the formation of protective passive layers, although adjustments are necessary to optimize the monoliths. The ?-Al2O3 coating showed excellent adhesion (>94%) after thermal cycles at 600 °C, despite the migration of elements (Fe and Cr) from the substrate. Nickel impregnation resulted in homogeneous deposits, with contents between 4-13% and good surface dispersion. The uncoated monolith exhibited intrinsic catalytic activity in the ethanol steam reforming reaction (67-91% of conversion and ~56% of selectivity for H2 between 500-600 °C), with possible in situ formation of active sites on the stainless steel surface. The Ni/?-Al2O3 catalyst deposited on the monolith demonstrated complete conversion from 425 °C and selectivity for H2 of 68.7% at 500 °C. The results indicate that the integrated approach of additive manufacturing, specific pre-treatments, and controlled deposition is promising for the development of structured catalysts with high thermal and mechanical stability. This strategy reinforces the potential of metal catalysts manufactured by additive manufacturing for applications under severe conditions.