Produção de hidrogênio por decomposição do metano sobre catalisadores de Ni-Cu-Al e M-Ni-Cu-Al (M = Zn, Mg, Fe e Co)

Abstract

O hidrogênio é um vetor de energia ambientalmente amigável que não gera gases de efeito estufa em sua combustão e apresenta diversas aplicações industriais. Por não ser encontrado em sua forma elementar na natureza, é necessário o uso de diversos processos de obtenção, como a reforma a vapor de hidrocarbonetos, oxidação parcial do gás natural e eletrólise da água. Outra rota alternativa de produção de hidrogênio é a decomposição catalítica do metano, formando hidrogênio e carbono sólido, sem emitir outros gases poluentes. Neste trabalho, foi avaliada a decomposição catalítica do metano utilizando catalisadores de Ni-Cu-Al e M-Ni-Cu-Al (M = Zn, Mg, Co e Fe) do tipo hidrotalcita, preparados por coprecipitação. Os catalisadores foram caracterizados por Adsorção-dessorção de N2, Redução em Temperatura Programada, Termodessorção de Amônia, Difração de Raios-X, Oxidação à Temperatura Programada e Microscopia Eletrônica de Varredura. A atividade catalítica foi avaliada em reator de leito fixo com análise por cromatografia gasosa em linha. Foram realizados experimentos entre 500 e 700 °C avaliando a influência da etapa de redução com hidrogênio ou ativação com metano. Foram também realizados experimentos em função do tempo com temperatura fixa e em função da temperatura, com taxa de aquecimento fixa. Para os catalisadores Ni- Cu-Al, os resultados obtidos indicaram que o cobre diminui a temperatura de redução e aumenta a resistência à desativação em altas temperaturas, devido à formação da liga Cu-Ni. A amostra que apresentou os melhores resultados de conversão e estabilidade foi com 11%Cu, 55%Ni e 33%Al, quando ativada com metano. Todas as amostras apresentaram nanotubos de carbono como fase predominante de carbono produzido. Com relação às amostras M-Ni-Cu-Al, foi verificada que a presença do promotor cobalto e ferro afetou a redutibilidade das amostras. Essa mudança na temperatura de redução e o papel de promotores ativos para a decomposição catalítica do metano garantiu maior tempo de atividade e conversão para as amostras ativadas com metano. A ativação dos catalisadores com o próprio metano é um diferencial para a produção de hidrogênio por esta rota.

Hydrogen is an energy vector of clean, environmentally friendly energy, in its combustion, does not produce greenhouse effect gases. However, it is not available in the elemental form, requiring several processes for its obtainment, such as steam reforming of hydrocarbons, partial oxidation of natural gas and water electrolysis. Another alternative route for hydrogen production is the catalytic decomposition of methane, generating hydrogen and solid carbon, without producing other pollutants. In this study, the catalytic decomposition of methane over LDH-Ni-Cu-Al and M-Ni- Cu-Al (M = Zn, Mg, Co and Fe) catalysts prepared by the co-precipitation was evaluated. The samples were characterized through N2-adsorption-desorption, Temperature Programmed Reduction, Temperature-Programmed Desorption of Ammonia, X-ray Diffraction, Temperature Programmed Oxidation and Scanning Electron Microscopy. The catalytic activity was evaluated in a fixed bed reactor with online gas chromatography. The experiments were carried out between 500 and 700 °C, evaluating the influence of hydrogen reduction or methane activation. Experiments with fixed temperature, as a function of time, and as a function of temperature were carried out. For Ni-Cu-Al catalysts, the results indicated that Cu decreased the reduction temperature and the thermal resistance of catalysts, due to the Cu-Ni alloy formed. The catalyst with 11%Cu, 55%Ni and 33%Al activated with methane exhibited the highest conversion and stability results. All the samples showed carbon nanotubes after the reaction. For the M-Ni-Cu-Al samples, it was verified the decrease in the reduction temperature of the catalysts with Co and Fe. The change in the reduction temperature and the role as active metals for methane decomposition granted the highest stability and conversion values for samples CH4- activated. The activation of catalysts with methane is a great advantage for the hydrogen production through this route.