Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.46.2022.tde-26082022-120922
Document
Author
Full name
Astrid Carolina Perez Cabrera
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2022
Supervisor
Committee
Freire, Renato Sanches (President)
Hewer, Thiago Lewis Reis
Martins, Tereza da Silva
Title in Portuguese
Síntese e caracterização de Ce-MOFs como catalisadores heterogêneos na redução de CO2
Keywords in Portuguese
Cério
CO2
Fotocatálise
Hidrogenação
Metanol
MOFs
Abstract in Portuguese
O dióxido de carbono é um dos gases com maior contribuição para o aquecimento global via intensificação do efeito estufa. Portanto, a diminuição da concentração desse gás na atmosfera representa um grande desafio para a sociedade. Dentre as diferentes estratégias, busca-se a conversão de CO2 em produtos de valor agregado, por exemplo álcoois, reduzindo o uso de outros recursos naturais em processos produtivos e ampliando os efeitos benéficos ao meio ambiente. Novos processos catalíticos estão entre as abordagens mais promissoras para este fim. Materiais porosos, como as redes metalorgânicas (MOFs), vêm sendo utilizados na área da catálise, devido a sua alta área superficial e estrutura porosa bem definida. Este trabalho descreve a síntese de MOFs a base de cério (III) utilizando o método solvotermal, com diferentes ligantes como ácido trimesico, ácido tereftálico, ácido bifenil-4,4´-dicarboxílico, ácido succínico, 2,2´-bipiridina e ácido 2,2´- bipiridina-4,4´-dicarboxílico. Os materiais sintetizados foram caracterizados pelas técnicas de difração de raios X (XRD), espectroscopia no Infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR), microscopia eletrônica de varredura (SEM), espectroscopia de reflectância difusa (DRS), análise de adsorção-dessorção de N2 e análise termogravimétrica (TGA). Os resultados evidenciaram que os sólidos sintetizados possuem uma excelente estabilidade térmica até 350°C; picos de difração caraterísticos de materiais tipo MOF em 2θ = 9,4° e 18,5° e o valores de área superficial específica superiores a 100 m2 g-1 (para Ce-BDC obteve-se 159,51m2 g-1). Os materiais preparados apresentaram energia de band gap na região do ultravioleta. A atividade fotocatalítica foi avaliada via reação de hidrogenação de CO2 visando a obtenção de metanol, sob radiação ultravioleta, pressão de 80 bar e temperatura de 80 °C. O valor máximo de produção de metanol foi obtido com o Ce-SUCC (57,43 µmol MeOH gcat-1). De um modo geral, os materiais sintetizados mostraram-se ativos sob luz UV, e apresentaram uma seletividade de até 100% na reação de hidrogenação de CO2 a metanol. A ordem de atividade catalítica dos diferentes materiais preparados foi Ce-BPYDC< Ce-BPY< Ce-BTC≅ Ce-BDC≅ Ce-BPDC< Ce-SUCC.
Title in English
Synthesis and characterization of Ce-MOFs as heterogeneous catalysts for CO2 reduction
Keywords in English
Cerium
CO2
Hydrogenation
Methanol
MOFs
Photocatalysis
Abstract in English
Carbon dioxide is one of the gases with great contribution to global warming via the intensification of the greenhouse effect. Therefore, reducing the concentration of this gas in the atmosphere represents one of the greatest challenges for society. Among the different strategies, CO2 conversion into value-added products, for example alcohols, is a very attractive strategy, since reduces the use of other natural resources in production processes increasing the beneficial effects on the environment. Novel catalytic processes are among the most promising approaches to this purpose. Porous materials, such as metal-organic frameworks (MOFs) have been used in catalysis area, due to their specific surface area and well-defined porous structure. This work described the synthesis of cerium (III)-based MOFs using solvothermal method, with different ligands as trimesic acid, terephthalic acid, biphenyl-4,4´-dicarboxylic acid, succinic acid, 2,2´-bipyridine and 2,2´- bipyridine-4,4´-dicarboxylic acid. Synthetized materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), scanning electron microscopy (SEM), diffuse reflectance spectroscopy (DRS), BET N2 adsorption- desorption and thermogravimetric analysis (TGA). The results showed that synthetized materials have excellent thermal stability up to 350°C, and characteristic diffraction peaks of MOFs-type materials at 2θ = 9,4° and 18,5°; the specific surface area values were greater than 100 m2 g-1 (159,51 m2 g-1 for Ce-BDC). The prepared materials showed band gap energy in the ultraviolet region. The photocatalytic activity was evaluated via the CO2 hydrogenation reaction to methanol, under UV ultraviolet radiation, pressure of 80 bar and temperature of 80 °C. The maximum value of methanol production was obtained with Ce-SUCC (57.43 µmol MeOH gcat-1). In general, the synthesized materials were active under UV light, and showed a selectivity of up to 100% in the hydrogenation reaction of CO2 to methanol. The order of catalytic activity of the different materials prepared was Ce-BPYDC< Ce-BPY< Ce-BTC≅ Ce-BDC≅ Ce-BPDC< Ce-SUCC.
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Publishing Date
2022-09-01