Tesis Doctoral

A produção de energia limpa é fundamental para manter o equilíbrio entre crescimento econômico e preservação do ecossistema. Nesse contexto, o uso de combustíveis sintéticos é útil na transição do uso de combustíveis fósseis convencionais na matriz energética mundial. Já o H2 é apontado como a fonte energética do futuro, devido a sua queima limpa. Aprimorar a produção de ambos combustíveis citados é essencial para utilização em larga escala. Para tal, é preciso desenvolver um catalisador que seja ativo e resistente nos processos correlacionados. O grafeno, nanomaterial de carbono, pode ser um suporte vantajoso devido a sua alta área superficial, alta condutividade e resistência térmica. Dessa forma, propôs-se o estudo de um catalisador a base de grafeno, contendo nanopartículas de cobalto, para a síntese de FischerTropsch e reação de deslocamento gás-água para a produção de combustíveis líquidos e hidrogênio, respectivamente. Os efeitos da promoção com La2O3 também foram avaliados. Propôs-se também uma adaptação na síntese de grafeno de modo a obter um suporte íntegro e com poucas folhas, de forma segura. Os materiais foram sintetizados e caracterizados com diferentes técnicas para avaliar suas propriedades texturais, morfológicas e estruturais. O desempenho dos catalisadores foi estudado através de reação superficial com temperatura programada, reações in situ com espectroscopia no infravermelho e testes catalíticos simulando condições de processo em ambas as reações estudadas. A partir das análises, verificou-se que o método de síntese de grafeno proposto foi eficaz na produção de um suporte contendo de uma a duas camadas, com alta área superficial e estrutura preservada. Já os catalisadores, por sua vez, apresentaram atividade aquém da esperada na produção de combustíveis líquidos devido à alteração na interação eletrônica entre CO e cobalto, motivada pela interação Co-grafeno, em desacordo com estudos anteriores. O hidrogênio foi produzido com sucesso, principalmente em altas temperaturas. A promoção com óxido de lantânio mostrou-se eficaz em minimizar a geração de metano e aumentar o rendimento de H2.

Clean energy production is essential to keep the balance between economic growth and preservation of the ecosystem. Hence, the use of synthetic fuels is useful in the transition from conventional fossil fuels to renewables on world energy matrix. H2, on the other hand, is referred to be the future energy source due to its clean-burning. Thus, improving the production of both fuels is essential for large-scale use. Developing an active and resistant catalyst is crucial to make the production of these fuels. Graphene, a carbon nanomaterial, can be an advantageous support due to its high surface area, high conductivity, and thermal resistance. Therefore, this study proposed a graphene-based catalyst with cobalt nanoparticles for Fischer-Tropsch synthesis and water-gas shift reaction for liquid fuels and hydrogen production, respectively. The effects of promotion with La2O3 were also evaluated. An adaptation in the graphene synthesis was also proposed to obtain intact and few-layered support through a safer process. The materials were synthesized and characterized, by different techniques, in order to evaluate their textural, morphological and structural properties. The performance of the catalysts was evaluated through surface reaction with programmed temperature, in situ reactions with infrared spectroscopy and catalytic tests simulating process conditions in both reactions. The analysis results confirmed that the proposed graphene sinthesys method was effective in producing a 1 to 2 layered support, with high surface area and preserved structure. The catalytical activity was much below than expected for the liquid fuel production due to the change in the electronic interaction between CO and cobalt caused by the Co-graphene interaction, in disagreement with previous studies. On the other hand, hydrogen was successfully produced, especially at high temperatures. Promotion with lanthanum oxide was effective in reducing methane generation and increasing H2 yield.