Nanocatalisadores de Fe-BDC, Co-BDC e FeCo-BDC : da síntese e caracterização à aplicação na produção de hidrogênio via desidrogenação do borohidreto de sódio

Abstract

As redes metalorgânicas são materiais híbridos, constituídos por clusters metálicos coordenados à ligantes orgânicos polifuncionais, com presença de poros/canais de dimensões nanométricas. Estes materiais apresentam comumente alta área superficial, sendo do ponto vista científico-tecnológico, interessantes na aplicação em catálise, adsorção, separação, estocagem de gases, entrega de fármacos, etc. Os materiais Fe- BDC, Co-BDC e FeCo-BDC foram sintetizados via método solvotérmico a partir do ligante 1,4-H2BDC e nitratos hidratados dos metais ferro e/ou cobalto, com rendimento de 43,6, 42,9 e 63,1 %, respectivamente. As MOFs foram caracterizadas por DRX, FTIR, MEV-EDS e TGA. As análises de FTIR indicaram a formação de redes metalorgânicas possuíndo os modos de coordenação do tipo quelato (Fe-BDC) e bidentado (Co-BDC e FeCo-BDC). Esses materiais foram testados como catalisadores na produção de hidrogênio via desidrogenação do NaBH4, utilizando a metodologia de deslocamento de volume de água, sendo avaliada a influência da temperatura do sistema na produção de hidrogênio. Os padrões de difração de Raios-X dos materiais Co-BDC e FeCo-BDC apresentaram boas correspondências com o padrão calculado para o (Co2(OH)2BDC) indicando o sucesso das sínteses. Os resultados indicaram que a introdução do ferro no FeCo-BDC não alterou sua estrutura cristalina. As análises de MEV/EDS mostraram que Co-BDC apresentou morfologia indefinida e irregular com tamanho médio de partículas de 2,86 μm. Adicionalmente, os materiais Fe-BDC e FeCo-BDC apresentaram morfologia regular, do tipo haste com tamanhos médios de 2,393 e 0,388 μm, respectivamente. As curvas termogravimétricas mostraram que os materiais Co-BDC e FeCo-BDC possuíram estabilidades semelhantes, apresentando temperaturas de decomposição de parte orgânica por volta de 330 °C. Já o material Fe-BDC possuiu menor estabilidade, apresentando a temperatura de decomposição da parte orgânica em 300 °C. Observou- se que a temperatura de 26 °C houve a produção de quantidades distintas de hidrogênio dependendo do catalisador usado: Fe-BDC - 35 mL em 20 min de reação – 33,8 %, Co- BDC - 60 mL em 14,4 min de reação – 58,3 %, FeCo-BDC - 40 mL em 15 min de reação - 38,9 %. O aumento da temperatura do sistema favoreceu a produção de hidrogênio em tempos mais curtos: 55 mL, 90 mL e 60 mL para Fe-BDC (7,0 min), Co-BDC (7,2 min) e FeCo-BDC (6,04 min), respectivamente a 46 °C. O material Co-BDC apresentou os melhores valores de taxa de formação de hidrogênio e TOF a temperatura de 26 °C (207,90 mLH2min-1g-1; 3,47 molH2molcatmin-1) entre os três catalisadores testados, possuíndo assim a maior atividade catalítica na reação de desidrogenação do NaBH4 nas condições testadas. Adicionalmente, a vida útil do catalisador Co-BDC foi avaliada, sendo observada a formação de 5 mL de hidrogênio no sexto ciclo.