Síntese e caracterização de perovskitas LaNi(1-x)Co xO3 como precursores de catalisadores para a conversão do metano a gás de síntese pela reforma com CO2
https://doi.org/10.1590/S0100-40422007000200011
Preparation and characterization of LaNi(1-x)CoxO3 perovskites as catalyst precursors for synthesis gas generation by CO2 reforming of methane
Sania Maria de Lima*; José Mansur Assaf
Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal de São Carlos, Rodovia Washington Luís, km 235, 13565-905 São Carlos – SP, Brasil
LaNiO3 perovskite was modified by partial substitution of nickel by cobalt in order to increase the stability and resistance to carbon deposition during the methane CO2 reforming. The results showed that a suitable combination of precipitation and calcination steps resulted in oxides with the desired structure and with important properties for application in heterogeneous catalysis. The partial substitution of Ni by Co resulted in lower rates of conversion of both the reactants, but the catalyst stability was highly increased. The LaNi0.3Co0.7O3 catalyst, calcined at 800 ºC, was the most active under the reaction conditions.
Keywords: CO2 reforming of methane; LaNi(1-x)CoxO3 perovskite-type oxides; syngas production.
A conversão de metano e dióxido de carbono, materiais mais abundantes na natureza que contêm carbono, em produtos de alto valor agregado tem sido uma importante área de pesquisa em desenvolvimento de catalisadores nos últimos anos. A reação de reforma do metano com dióxido de carbono para produção de gás de síntese (CO/H2) é uma rota atrativa para produção de energia e produtos químicos, oferecendo importantes vantagens sobre outros processos. Uma vantagem potencial da reforma do metano com CO2 (reforma seca), que tem impacto positivo sobre o setor industrial, é a baixa razão H2/CO que é produzida (1:1 ou menor). Uma razão H2/CO mais baixa, quando comparada com a reforma a vapor e a oxidação parcial, é necessária para produção de compostos oxigenados1,2. Deve-se considerar também a possibilidade de combinar as reações de reforma a vapor, oxidação parcial e reforma seca para alcançar uma razão H2/CO desejada3-5. No entanto, a reforma do metano com dióxido de carbono apresenta dois problemas sérios, que devem ser superados para a utilização da mesma comercialmente: é uma reação altamente endotérmica (DH0 298 = 247 kJ/mol), que consome muita energia, e os catalisadores usados nesta reação estão sujeitos à desativação devido à deposição de carbono sobre a superfície dos mesmos.
Durante alguns anos, muitos esforços foram direcionados para o desenvolvimento de catalisadores que mostrassem alta atividade e que apresentassem resistência à formação de depósitos de carbono. Numerosos catalisadores metálicos foram estudados para esta reação. Dentre eles, catalisadores baseados em níquel3,6-11 e metais nobres (Rh, Ru, Ir, Pd e Pt)5,12-14 têm mostrado desempenho catalítico, em termos de atividade e seletividade, promissores para gás de síntese. Dentre estes catalisadores, os metais nobres mostraram-se melhores quando comparados ao Ni, pois este último se desativa rapidamente devido à deposição de carbono. No entanto, o alto custo dos metais nobres torna atrativo o desenvolvimento de catalisadores de Ni para utilização industrial. Um dos desafios consiste em torná-lo mais resistente à deposição de carbono. Tem sido relatado que a adição de óxidos de metais alcalinos ou alcalinos terrosos e de lantanídeos15, ou a utilização de espécies metálicas altamente dispersas16 sobre o suporte contribuem para a redução da formação de carbono, aumentando a estabilidade catalítica.
Uma opção particularmente atrativa para uma reação de alta temperatura, como a reforma seca do metano, é o uso de precursores com estrutura tipo perovskita, que pode apresentar alta estabilidade térmica, podendo ser a resposta para este problema de desativação17,18. Representados pela fórmula geral ABO3, onde os sítios A 12-coordenados devem ser ocupados por terras-raras, alcalinos terrosos, alcalinos ou outros íons e os sítios B 6-coordenados são usualmente ocupados com cátions metálicos de transição, os óxidos tipo perovskita não somente satisfazem as exigências de estabilidade, mas também, através da redução dos cátions no sítio B que estão distribuídos na estrutura, resultam na formação de catalisadores com partículas metálicas estáveis e bem dispersas19-21. Estudos sobre perovskitas de CaRuO322, LaCoO323 e LaNiO38 indicam que através do tratamento de redução, o metal (Ru, Co, Ni) apresenta-se altamente disperso sobre uma matriz composta do respectivo óxido metálico. As interações criadas pela formação de ligações entre os óxidos de níquel e terras-raras permitem aumentar a temperatura de redução do óxido de níquel24. No entanto, particularmente para LaNiO3, a estabilidade térmica é baixa sob atmosfera redutora e a formação de coque ainda é importante. Com o objetivo de estabilizar a estrutura tipo perovskita sob atmosfera redutora e avaliar sua eficiência na reação de reforma seca para produção de gás de síntese, estudaram-se, neste trabalho, os efeitos das variáveis de preparação e da substituição parcial de Ni por Co na estrutura de LaNi(1-x)CoxO3.
Os precursores dos catalisadores de LaNi(1-x)CoxO3 (x = 0, 0,4 e 0,7) foram preparados pelo método de precipitação descontínua25. Soluções aquosas equimolares de nitrato de níquel e nitrato de lantânio (com adição de nitrato de cobalto no caso dos catalisadores substituídos) foram preparadas e misturadas, sendo esta mistura adicionada rapidamente sobre uma solução aquosa de carbonato de sódio 0,5 M sob agitação vigorosa. O material precipitado foi submetido a um processo de lavagem por filtração a vácuo. Após a lavagem, o material foi seco em estufa a 60 °C por 20 h, desaglomerado e, em seguida, submetido a duas etapas de calcinação. Todos os precursores foram calcinados inicialmente a 550 °C por 3 h, sendo que, na segunda etapa de calcinação, deu-se origem a quatro tipos de catalisadores, uma vez que foram variados a temperatura e o tempo de calcinação: 800 °C por 5 h e 900 °C por 5, 10 e 15 h, respectivamente, para obtenção da estrutura perovskita.
A composição química foi determinada por espectrometria de emissão ótica por plasma induzido, usando-se espectrômetro Vista-Varian. A estrutura do catalisador foi confirmada por difração de raios-X (DRX), pelo método do pó em difratômetro Siemens D5005 com radiação CuKa. Os espectros de raios-X foram comparados com os padrões JCPDS-ICDD. A área superficial foi medida por adsorção física de N2 (método BET) em equipamento Quantachrome Nova 1200.
As informações sobre a redutibilidade das espécies oxidadas foram obtidas através de medidas de redução à temperatura programada (TPR). As análises de TPR foram realizadas em equipamento Micromeritics Pulse Chemisorb 2705, equipado com detector de condutividade térmica, utilizando 30 mg de amostra, a qual foi reduzida com 5% H2/N2 com fluxo total de 30 mL min-1 a uma velocidade de aquecimento de 10 °C min-1 da temperatura ambiente até 1000 °C.
As análises termogravimétricas (ATG) foram realizadas, após os testes de estabilidade na reforma seca do metano, para quantificar a formação de carbono no catalisador. Foi utilizado um equipamento SDT 2960 TA-Instruments, com fluxo de ar sintético e aquecimento a 10ºC/min até 900 ºC.
A reação foi realizada em um micro-reator tubular de leito fixo de quartzo sobre 100 mg de catalisador a 650 °C, pressão atmosférica, tempo de reação de aproximadamente 10 h, com alimentação contínua dos reagentes pré-aquecidos e razão de alimentação CH4/CO2 = 1,0 com vazão total de 120 mL min-1. As amostras foram reduzidas in situ, a 700 °C por 4 h, sob fluxo de 40 mL min-1 de hidrogênio puro e rampa de aquecimento de 5 °C min-1. Os produtos da reação foram identificados em cromatógrafo para gases GC-3800-Varian, equipado com dois detectores de condutividade térmica, colunas empacotadas Porapak N e Peneira Molecular 13X, com He e N2 como gases de arraste. A conversão dos reagentes foi definida como a quantidade de CH4 e CO2 convertida pela quantidade total de CH4 e CO2 alimentada, respectivamente.
Análise química elementar
Os valores nominais e os resultados da análise química quantitativa de lantânio, níquel e cobalto estão apresentados na Tabela 1. Estes valores expressam a porcentagem em peso de cada elemento e mostram que as quantidades de metais nos óxidos apresentam um bom balanço entre os valores teóricos e experimentais.
Os difratogramas do catalisador LaNiO3 em diferentes condições de calcinação revelaram a presença da estrutura perovskita como única fase (Figura 1).
A amostra calcinada a 800 °C apresenta estrutura do tipo cúbica. Ao se aumentar a temperatura e os tempos de calcinação, foi observado aumento de cristalinidade, definindo melhor a formação da estrutura perovskita, onde esta maior severidade nas condições de calcinação levou à conversão da estrutura perovskita da fase cúbica para hexagonal (padrão apresentado na Figura 1). Rakshit e Gopalakrishnan26 sintetizaram perovskitas de LaNiO3 e observaram em amostras calcinadas a 800 °C por 4 h a estrutura perovskita como única fase, com estrutura cúbica e parâmetro de rede, a = 3,851 Å. Constataram que ao aumentar o tempo de calcinação, nesta mesma temperatura, houve uma conversão gradual da fase cúbica para fase hexagonal, que envolvia uma contínua, porém pequena perda de oxigênio, e um gradual aumento no ângulo a de 90° da fase cúbica para 90°43', mostrando uma fase intermediária romboédrica até a transformação completa para a fase hexagonal. Através destas informações da literatura e dos valores de 2q observados, pôde-se constatar que a perovskita calcinada a 800 °C está mais próxima da fase cúbica que da hexagonal, sofrendo uma transformação para fase hexagonal com o aumento de temperatura e tempo de calcinação.
Os difratogramas dos catalisadores LaNi(1-x)CoxO3 (x = 0,4 e 0,7) nos quais foram variadas as condições de calcinação estão apresentados nas Figuras 2 e 3, respectivamente. O padrão apresentado na Figura 2 é de uma perovskita tipo LaNi0,6Co0,4O3 com estrutura hexagonal. É possível observar que alterando as condições de calcinação como temperatura e tempo, ocorre um aumento na intensidade das reflexões basais mostrando tendência à formação de uma perovskita mais próxima do padrão com estrutura hexagonal.
Embora não exista na literatura especializada uma figura padrão para a perovskita LaNi0,3Co0,7O3 nota-se, pela Figura 3, que os valores das posições 2q são muito próximos aos apresentados na Figura 2, ocorrendo apenas melhor definição na intensidade dos picos de difração. Todos os padrões estão apresentados na forma de intensidade relativa I/I0.
Na Figura 4 estão apresentados os difratogramas dos óxidos LaNi(1-x)CoxO3 (x = 0, 0,4 e 0,7) calcinados a 900 °C por 10 h, nos quais se busca verificar o efeito da substituição parcial de níquel por cobalto. As amostras substituídas (x = 0,4 e 0,7) exibiram a mesma estrutura cristalina que a não-substituída (x = 0), mostrando que as condições de preparação e calcinação empregadas foram apropriadas para desenvolver a fase perovskita; ambos os cátions na posição B, Ni3+ e Co3+, foram incorporados na estrutura de forma homogênea, indicando a formação de uma estrutura mais complexa, em que LaNiO3 e LaCoO3 coexistem, formando uma solução sólida. Uma ampliação da região do diagrama 2q entre 32,0 e 33,5 da Figura 4 mostra a formação da solução sólida entre LaNiO3 e LaCoO3 para o pico de difração de maior intensidade (Figura 5).
Dados mostrando a influência sobre a área superficial da substituição parcial de Ni por Co, em todas condições de calcinação, no óxido de LaNiO3, estão apresentados na Figura 6. Perovskitas são altamente resistentes a altas temperaturas, mas quando são sintetizadas em temperaturas elevadas (>1100 °C) usando uma reação no estado sólido, apresentam baixos valores de área superficial (menores que 5,0 m2 g-1)27.
Observa-se que a área superficial diminuiu continuamente com a substituição de níquel por cobalto, sendo este resultado já relatado na literatura8. Ao aumentar a temperatura de calcinação houve uma redução significativa nos valores de área superficial, sendo esta redução mais acentuada com o aumento do teor de cobalto. É possível notar que aumentando o tempo de calcinação também ocorreu decréscimo da área, porém este efeito foi menos intenso que o da temperatura.
Estudos de redução à temperatura programada
As análises de redução à temperatura programada foram realizadas com todos os óxidos preparados, observando-se que, ao variar os tempos de calcinação, o comportamento dos mesmos em atmosfera redutora não mudava significantemente. Por isso, são apresentados perfis de redução somente para o catalisador LaNiO3 em todas condições de calcinação (Figura 7). A perovskita LaNiO3 apresenta dois picos de redução, sendo que o primeiro corresponde à formação de La2Ni2O5, ou seja, resulta da redução de Ni3+ para Ni2+, e o segundo, à redução de Ni2+ para Ni0 que se mantém suportado sobre óxido de lantânio25. Nota-se também que, ao variar o tempo de calcinação, estes picos não apresentaram mudanças significativas com relação às temperaturas em que aparecem. As diferenças são mais evidentes quando se considera a relação entre as áreas sob os picos, diretamente relacionadas com o consumo de hidrogênio para redução dos íons Ni+3 a Ni+2 (1º pico) e deste último a Ni0 (2º pico). Idealmente, a área sob este segundo pico deve ser o dobro da primeira. Os desvios desta relação ideal, maiores para a amostra calcinada a 800 °C – 5 h e decrescentes com o aumento do tempo de calcinação a 900 °C, indicam que a redução de outros compostos, também presentes, porém, não observados por DRX, contribuem com o consumo de hidrogênio.
Pode ter ocorrido, principalmente nas condições mais brandas de calcinação, a formação de NiO e La2O3 além da perovskita LaNiO3. Este NiO pode estar se reduzindo a Ni0 juntamente com a formação de La2Ni2O5, resultando em consumo de hidrogênio correspondente ao 1º pico, maior que o esperado. Pode-se dizer que, quanto mais próximo de 2,0 estiver a relação Área2/Área1, menor é a quantidade de outros compostos redutíveis, além da perovskita, presentes na amostra analisada.
Os perfis de TPR dos catalisadores LaNi(1-x)CoxO3 (x = 0, 0,4 e 0,7), calcinados a 800 °C por 5 h e a 900 °C por 10 h, estão apresentados na Figura 8. A perovskita LaCoO3 também apresenta dois picos de redução: o primeiro em 402 °C e o segundo em 577 °C28. Dois picos de redução são observados nos catalisadores substituídos. Estes são devido aos dois passos de redução das estruturas perovskitas contendo Co (LaNi0,6Co0,4O3 e LaNi0,3Co0,7O3), correspondendo à redução de Co3+ e Ni3+ para Co2+ e Ni2+ (primeiro passo) e à redução destas últimas espécies para Co0 e Ni0, respectivamente (segundo passo). As temperaturas necessárias para redução destes precursores revelam uma possível interação entre os metais Co e Ni, desde que estejam entre as temperaturas encontradas para os precursores de LaNiO3 e LaCoO325,29. González et al.30, estudando a perovskita tipo LaCo0,4Ni0,6O3 através de DRX in situ, mostraram que o precursor é capaz de gerar um catalisador em que as espécies metálicas que são distribuídas na estrutura perovskita via a migração do metal são espontaneamente depositadas sobre uma matriz de La2O3, formada durante a reação, como conseqüência do colapso da estrutura original.
Ao verificar os efeitos da variação da temperatura de calcinação, observa-se que as estruturas com Co obtidas a 900 °C mostram-se mais estáveis que as obtidas a 800 °C, pois os picos de redução sofreram um deslocamento para a direita.
As mesmas considerações sobre a relação entre as áreas correspondentes aos primeiro e segundo picos de redução, levantadas para as perovskitas LaNiO3, podem ser aplicadas às perovskitas onde Ni está parcialmente substituído por Co. Verifica-se também que esta substituição favorece a redutibilidade dos óxidos, com amostras apresentando graus de redução próximos a 100%.
A partir das análises dos resultados dos ensaios de TPR de todos os catalisadores, associados aos de DRX e de área BET, decidiu-se realizar os testes catalíticos apenas com as amostras calcinadas a 800 °C por 5 h e a 900 °C por 10 h, pois, como discutido anteriormente, a variação do tempo de calcinação não apresentou influência significativa nas propriedades de redução dos catalisadores.
Sob as condições experimentais usadas, todos os catalisadores foram ativos para a reação estudada. Similarmente, as condições de estado estacionário para estes catalisadores foram alcançadas rapidamente, permanecendo constantes ao longo das 10 h de reação, com exceção de algumas amostras.
Os resultados referentes aos catalisadores LaNi(1-x)CoxO3 calcinados a 800 °C por 5 h e a 900 °C por 10 h estão apresentados nas Figuras 9 e 10. Verifica-se que os catalisadores não-substituídos (LaNiO3) foram altamente ativos, porém não se apresentaram estáveis, sendo necessário interromper a reação após 2,5 h para o calcinado a 800 °C e após 1,2 h para o calcinado a 900 °C, devido ao aumento da pressão interna no reator, impedindo o fluxo de reagentes, em conseqüência do aumento do volume do leito catalítico devido à formação de carbono filamentoso.
Nos catalisadores substituídos foi possível observar que a presença de cobalto resulta em níveis de conversão de CH4 e CO2 mais baixos que nos catalisadores LaNiO3 (Figuras 9 e 10), mas em contrapartida, estes catalisadores (exceto Co 0,4-800) apresentaram-se estáveis durante as 10 h de reação. As diferenças nas distribuições de produtos podem ser atribuídas às diferenças de interação, resultante da diferença de teores, entre os metais Ni e Co e o suporte La2O3, depois do colapso da estrutura original.
Por outro lado, os valores de conversão de metano foram levemente menores que os de dióxido de carbono em todas as amostras testadas, exceto para Co 0,7-900, em que as conversões de metano foram maiores que as de CO2. Isto indica que outras reações podem estar ocorrendo simultaneamente à reação de reforma (1), tais como a reação reversa de deslocamento gás-água (2), termodinamicamente possível na temperatura de 650 °C, que também consome CO2, resultando em razões H2/CO sempre menores que 1,0 (Figura 11) e a reação de Boudouard (3).
Em relação à temperatura de calcinação, observa-se que as amostras LaNi0,6Co0,4O3 e LaNi0,3Co0,7O3 calcinadas a 900 e 800 °C, respectivamente, apresentaram maiores níveis de conversão quando comparados à amostra LaNi0,3Co0,7O3 calcinada a 900 °C. Isto pode estar relacionado com o tamanho da partícula metálica produzida em cada sistema durante o pré-tratamento das amostras in situ, com H2, antes da reação, influenciando na dispersão dos metais. Com isso, a presença de cobalto na estrutura perovskita pode atuar basicamente dispersando os sítios ativos de níquel. Esta maior dispersão resulta em menor formação de carbono, aumentando a estabilidade do catalisador.
A quantidade de carbono depositada sobre os catalisadores depois do teste catalítico foi determinada por análise termogravimétrica com atmosfera oxidante. As curvas apresentadas na Figura 12 mostram claramente que a estrutura perovskita que contém cobalto pode resistir à formação de carbono (exceto para Co 0,4-800).
Um método relativamente simples, como o de precipitação descontínua, deu origem à estrutura tipo perovskita cristalina como mostrado por difração de raios-X. Já a 800 °C, a estrutura perovskita com fase cúbica foi observada, a qual se tornou mais cristalina para tempos e temperaturas de calcinação maiores. O aumento de temperatura e tempo de calcinação levou à conversão da estrutura perovskita da fase cúbica para hexagonal.
Os catalisadores não-substituídos (LaNiO3) calcinados a 800 °C por 5 h e a 900 °C por 10 h apresentaram alta atividade catalítica inicial, porém desativaram-se nas primeiras horas de reação devido à formação de carbono filamentoso.
A substituição parcial de Ni por Co resultou na formação de uma solução sólida em todas proporções, onde Ni3+ e Co3+ se reduzem simultaneamente. A adição de Co à estrutura reduziu os níveis de conversão de reagentes em produtos, porém tornou-a mais estável, viabilizando a utilização destes óxidos como catalisadores em reações de reforma do metano, em altas temperaturas e com a presença de H2 no meio reacional. Isto mostra que a substituição de Ni por Co no sítio B da perovskita produziu um efeito promotor significante, aumentando a estabilidade dos sólidos à desativação por deposição de carbono. Depois da redução, partículas de Ni altamente dispersas pelo cobalto sobre a matriz de La2O3 contribuem para a diminuição da sinterização do metal e para a redução da formação de coque na superfície dos catalisadores.
Os catalisadores LaNi0,6Co0,4O3 e LaNi0,3Co0,7O3 calcinados a 900 e 800 ºC, respectivamente, foram os que se mostraram mais ativos e resistentes à desativação após as 10 h de reação.
Ao CNPq pelo auxílio financeiro para execução do projeto (proc. 473598/2004-3), e S. M. de Lima agradece ao CNPq pela bolsa de Doutorado.
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