Desenvolvimento de catalisadores metálicos suportados em nanotubos de carbono para o abatimento de efluentes da indústria do petróleo

Abstract

O consumo de fontes não renováveis de energia resulta em drástico aumento nos gases do efeito estufa, especialmente o CO2, e em mudanças climáticas consequentes desse efeito. A pressão social, política e econômica frente a essas mudanças tem incentivado a busca por soluções para reduzir o CO2 atmosférico. Inspirada na natureza, a fotossíntese artificial é uma tecnologia emergente que converte CO2 em insumos de interesse industrial. Entretanto, a reação é limitada pela recombinação de cargas geradas nos semicondutores durante o processo da fotocatálise. Diante da necessidade de mitigar a recombinação de cargas e otimizar a reação, os nanotubos de carbono (CNT) apresentam potencial para aplicação em fotocatálise devido a sua área superficial específica, condutividade eletrônica e estabilidade elevadas. Neste trabalho, foram empregados nanotubos de carbono de paredes múltiplas obtidos por deposição química a vapor sem tratamento e após funcionalização ácida, como suportes. Na preparação dos catalisadores, os óxidos metálicos de ferro, cobalto, níquel e cobre (10% m.m-1) foram depositados na superfície dos CNT. Os catalisadores foram caracterizados por FAAS, Fisissorção de N2, XRD, XPS, TGA, SEM-EDS, TEM e DRS. A funcionalização ácida aumentou a fração de grupos oxigenados na superfície do material. Obteve-se os óxidos Fe2O3, Co3O4, NiO e CuO sobre os catalisadores. A área superficial específica dos catalisadores foi pouco afetada pela funcionalização ácida, mas a incorporação de óxidos metálicos aumentou essa propriedade, com exceção dos catalisadores de CuO. O intervalo de banda obtido dos catalisadores foi de 1,9 ± 0,1 eV. Os catalisadores produziram CO e CH4 (0,9 e 0,3 μmol.g-1 de catalisador, respectivamente) após 180 min. Como agente de sacrifício, o metanol não favoreceu a conversão do CO2, mas a trietanolamina ativou a superfície do catalisador e promoveu a obtenção de H2 (7,8 μmol.g-1), CO (3,0 μmol.g-1) e CH4 (1,3 μmol.g-1) após 180 min. Os óxidos de ferro e cobre foram mais bem estabilizados sobre CNT funcionalizados. O óxido de níquel tornou-se mais lábil e o óxido de cobalto não foi afetado pela funcionalização.

The consumption of non-renewable sources of energy results in a drastic increase in greenhouse gases, especially CO2, and in consequent climate changes due to this effect. The social, political, and economic pressure in the face of these changes has encouraged the search for solutions to reduce atmospheric CO2. Inspired by nature, artificial photosynthesis is an emerging technology that converts CO2 into industrial-useful inputs. However, the reaction is limited by the recombination of charges generated in semiconductors during the photocatalysis process. Given the need to mitigate charge recombination and optimize the reaction, multi-walled carbon nanotubes (CNT) show potential for application in photocatalysis due to their specific surface area, electronic conductivity, and high stability. In this work, multi-walled carbon nanotubes obtained by chemical vapor deposition without treatment and after acid functionalization were employed as supports. In the catalyst preparation, metal oxides of iron, cobalt, nickel, and copper (10% w/w) were deposited on the surface of the CNT. The catalysts were characterized by FAAS, N2 physisorption, XRD, XPS, TGA, SEM-EDS, TEM, and DRS. Acid functionalization increased the fraction of oxygenated groups on the material's surface. Fe2O3, Co3O4, NiO, and CuO oxides were obtained on the catalysts. The specific surface area of the catalysts was slightly affected by acid functionalization, but the incorporation of metallic oxides increased this property, except for CuO catalysts. The obtained band gap of the catalysts was 1.9 ± 0.1 eV. The catalysts produced CO and CH4 (0.9 and 0.3 μmol.g-1 catalyst, respectively) after 180 minutes. As a sacrificial agent, methanol did not favor CO2 conversion, but triethanolamine activated the catalyst's surface and promoted the generation of H2 (7.8 μmol.g-1), CO (3.0 μmol.g-1), and CH4 (1.3 μmol.g-1) after 180 minutes. Iron and copper oxides were better stabilized on functionalized CNT. Nickel oxide became more labile, and cobalt oxide was unaffected by functionalization.