Nanocatalisadores multifuncionais a base de Ferro e Cobalto para a produção de hidrogênio via desidrogenação de NaBH4 e síntese de hidrocarbonetos via reação de Fischer-Tropsch

Abstract

As Redes Metalorgânicas (MOFs) são uma classe de materiais formados por metais ou clusters metálicos coordenados com ligantes orgânicos multifuncionais. Esses materiais têm estruturas cristalinas que contêm poros ou canais, resultando em uma alta área de superfície específica. Devido a essa característica, as MOFs são altamente valorizadas para diversas aplicações, como catálise, separação e armazenamento de gases. MOFs, M-BTC (M = Fe, Co) foram sintetizadas via método solvotérmico usando o ácido trimésico (H3BTC) como precursor do ligante orgânico e posteriormente usadas como precursores para a obtenção de nanocatalisadores metálicos dispersos em um suporte carbonáceo via pirólise. As MOFs e os produtos de pirólise foram testados em uma reação modelo: a produção de hidrogênio por desidrogenação do borohidreto de sódio. As análises dos dados de difração de raios- X confirmaram a cristalização de estruturas metalorgânicas para todas as composições produzidas. Os difratogramas experimentais mostraram um único conjunto de picos que estão em boa concordância com os do padrão simulado da MOF MIL-100(Fe). Os materiais pirolisados também foram caracterizados por difração de raios-X, confirmando-se a formação dos respectivos óxidos metálicos, além da provável presença de matéria carbonácea amorfa. Fisissorção de N2 revelou baixa área de superfície para as amostras monometálicas (~5 m2/g), enquanto as bimetálicas F4C6B e F6C4B tiveram áreas de 323 e 570 m2/g, respectivamente. Nos produtos de pirólise, a área de superfície aumentou significativamente com o teor de ferro, atingindo cerca de 120 m2/g para a amostra P-FB. As amostras obtidas foram testadas como catalisadores heterogêneos para a reação de desidrogenação do NaBH4, tendo apresentado alta atividade, com rendimentos em hidrogênio superiores a 90 % para temperaturas inferiores a 50 °C. Estes resultados sugerem a viabilidade do uso de ambos, MOFs e produtos de pirólise, em sistemas de recuperação de hidrogênio armazenado quimicamente em borohidretos. Além disso, as amostras testadas nesta reação passaram a apresentar comportamento magnético, o que sugere a redução das espécies catiônicas a espécies metálicas. Sendo assim, os resultados dos testes de desidrogenação do NaBH4 também podem ser aproveitados no desenvolvimento de um estudo sobre a redutibilidade das amostras testadas. Desta forma, percebe-se que os materiais desenvolvidos neste trabalho apresentam características e propriedades desejadas para os catalisadores heterogêneos, podendo ser usados na produção de hidrogênio via reações de desidrogenação. As MOFs também foram avaliadas na hidrogenação de CO pela síntese de Fischer- Tropsch (SFT), que converte CO em hidrocarbonetos. Essa reação requer catalisadores metálicos baratos, estáveis, ativos e bem dispersos. Usando MOFs monometálica e bimetálica MIL-100, o catalisador bimetálico Fe-Co converteu 67% do CO com 30% de seletividade para C5+ e 18% para C2-C5 a 300 °C. Já o catalisador monometálico converteu 87% do CO, mas com seletividade inferior a 10% para C5+. A área de superfície do bimetálico foi superior a 650 m2/g, enquanto a do monometálico foi de apenas 20 m2/g. A diferença é explicada pelo volume de poros: 62 mL/g para o bimetálico e 11 mL/g para o monometálico. Assim, as MOFs testadas são possíveis alternativas para catalisadores na hidrogenação de CO.