A produção de energia é um dos grandes desafios deste século, principalmente com a necessidade no desenvolvimento de processos que utilizem preferencialmente fontes renováveis. Nesse contexto, é claro o interesse por pesquisas baseada no hidrogênio. Porém, os ganhos ambientais efetivos estão associados também à matéria-prima usada no processo de geração do hidrogênio, senso assim mais significativo quando do uso de fontes renováveis. No presente trabalho foi estudado o efeito da adição de diferentes teores de CeO2 em catalisadores de NiZnO, preparados pelo método da co-precipitação. Os catalisadores foram estudados frente à reação de reforma a vapor do etanol (RVE) para produção de H2, e no decorrer do trabalho foi pertinente incluir o estudo da reforma a vapor da acetona (RVA), como complemento dos estudos da RVE. Além disso, esta é uma molécula modelo para reforma a vapor do bio-óleo. Nos sistemas catalíticos sintetizados houve a formação da liga NiZn3, o que aparenta proporcionar um efeito sinérgico entre esses elementos. Observou-se um efeito altamente promotor do CeO2 com relação a diminuição do coque formado, devido a uma menor da formação da acetona, durante as etapas de reforma do etanol. O que consequentemente interferiu na produção de H2. O catalisador contendo 20% de CeO2 denominado NiZn20Ce apresentou um desempenho altamente promissor, pois de acordo com as análises de DRIFT, a presença do CeO2 levou a formação de espécies de formiato, o que consequentemente interferiu em uma menor formação de coque e maior produção de H2. Foi comprovado também que a natureza dos depósitos carbonáceos depende tanto do substrato utilizado quanto das etapas precursoras inicias que levarão a formação desse coque, sendo o ponto chave para um melhor desempenho do catalisador. / Energy production is one of the great challenges of this century, especially with the need to develop processes that use preferentially renewable sources. In this context, it´s evident the interest in research based on hydrogen. However, the environmental benefits are also associated with the raw material used on the hydrogen generation process, being more significant when used renewable sources. In the present work, it was studied the effect of CeO2 addition in NiZnO catalysts, prepared by coprecipitation method. The catalysts were studied front of the ethanol steam reforming reaction (ESR) to produce H2, and in the course of this study was relevant include study of acetone steam reforming (ASR), as a complement of ESR studies. Moreover, acetone is a molecule model for steam reforming of bio-oil. In the catalyst systems there has been the NiZn3 alloy formation, which provides a synergistic effect between these elements. It was observed a high CeO2 promoter effect regarding reduction of the formed coke, due to lower formation of acetone in the ethanol reforming steps, and consequently interfere in the H2 production. The catalyst denominated NiZn20Ce showed a high performance, according to DRIFT analyzes, the presence of the CeO2 led to the formation of species formate, which in turn interfere through a lower coke formation and higher H2 production. It was also established that the nature of the carbonaceous deposits depends as the substrate used as the precursors initial steps that led the formation of this coke, and it is the key to a better performance of the catalyst.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4549.pdf: 10506362 bytes, checksum: 622f533bcc042279d1b10154620ecb35 (MD5) Previous issue date: 2012-06-11 / Financiadora de Estudos e Projetos / Cobalt-based catalysts supported on γ-alumina and magnesium aluminate modified with lanthanum and cerium have been applied to various conditions of reforming of ethanol. The initial challenge was to control the rate of carbon accumulation, a major cause of deactivation of catalysts under steam reforming of ethanol. In situ X-ray absorption spectroscopy analyses showed that the rate of carbon accumulation is inversely proportional to the amount of Co2+ species and directly proportional to the amount of Co0 species. X-ray photoelectron spectroscopy analyses showed that, after reducing the catalysts in hydrogen, the oxidized fraction of the particles is mainly on their surface. Both the oxidized and reduced fractions of cobalt crystallites have face-centered cubic structure. The concentration of superficial oxygen under reforming conditions is determined by the curvature of the surface of the particles, the nature of the supports and the presence of promoters such as platinum and copper. The concentration of superficial oxygen is also highly sensitive to reaction conditions such as the composition and amount of oxidizing agents, such as oxygen and water, and reaction temperature. The rate of accumulation of carbon could be controlled with co-feeding oxygen to the reactor, process called oxy-reforming of ethanol, and using ceria as support. However, stability tests showed that catalyst deactivation may also occur by oxidation of metal sites. The ignition of the reforming process takes place in a microregion at the entrance of the catalyst bed where ethanol is fully oxidized, releasing energy and increasing the local temperature. Spatial-resolved X-ray absorption spectroscopy analyses showed that the ratio Co2+/Co0 is much greater than one inside this microregion. The high local temperature and the presence of oxidized species in the entrance of the bed produce the appropriate conditions which lead the Co2+ ions to diffuse into the defect spinel structure of γ-alumina, leading to loss of potentially active sites for reforming of ethanol. This phenomenon is unleashed as a wave that propagates from the entrance of the bed downstream to the regions where Co2+ species exist. However, one can prevent the diffusion of Co2+ species to the structure of γ- alumina using aluminates as supports. / Catalisadores de cobalto suportados em γ-alumina e aluminato de magnésio modificados com lantânio e cério foram aplicados a diferentes condições de reforma do etanol. O desafio inicial foi tentar controlar a taxa de acúmulo de carbono, um dos principais fatores de desativação de catalisadores em condições de reforma a vapor do etanol. Análises de espectroscopia de absorção de raios X in situ comprovaram que a diminuição da taxa de acúmulo de carbono está ligada ao aumento da quantidade de espécies Co2+ em relação à quantidade de espécies Co0 nas partículas de cobalto. Análises de espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X demonstraram que, após redução em hidrogênio, a fração oxidada das partículas encontra-se majoritariamente na superfície das mesmas. Ambas as frações oxidadas e reduzidas das partículas de cobalto apresentam estrutura cúbica de face centrada. A concentração de oxigênio superficial em condições de reforma do etanol é determinada pela curvatura da superfície das partículas, pela natureza dos suportes e pela presença de promotores tais como platina e cobre. A concentração de oxigênio superficial é também fortemente sensível às condições de reação, tais como a composição e quantidade de agentes oxidantes, como a água e o oxigênio, e a temperatura de reação. O acúmulo de carbono pôde ser controlado com a coalimentação de oxigênio ao reator, processo denominado reforma a vapor com coalimentação de oxigênio, e utilizando-se céria como suporte. Entretanto, testes de estabilidade demonstraram que a desativação do catalisador pode também ocorrer por oxidação dos sítios metálicos. A ignição da reforma ocorre em uma microrregião na entrada do leito catalítico onde o etanol é completamente oxidado, liberando energia e aumentando a temperatura local. Análises de espectroscopia de absorção de raios X in situ resolvidas no espaço demonstraram que, nesta microrregião, a razão Co2+/Co0 é muito maior que um. O aumento da temperatura local e a presença de espécies oxidadas na entrada do leito produzem as condições adequadas para que íons Co2+ se difundam na estrutura espinela defeituosa da γ- alumina, levando a perdas de sítios potencialmente ativos para a reforma do etanol. Este fenômeno se deflagra como uma onda de desativação que se propaga da entrada do leito em direção às regiões à jusante onde existem espécies Co2+. Por outro lado, pode-se evitar a difusão de espécies Co2+ na estrutura da γ-alumina utilizando-se aluminatos como suporte.

O uso do hidrogênio, como vetor energético, representa uma opção promissora a fim de se reduzir a dependência dos combustíveis fósseis e controlar a emissão de poluentes na atmosfera. Atualmente, uma das rotas mais propícias para produção de hidrogênio envolve a reação de reforma a vapor de álcoois utilizando-se catalisadores de níquel suportados em alumina. O níquel é amplamente utilizado em catálise devido ao baixo custo e à elevada atividade para ruptura da ligação C-C. A alumina, por sua vez, promove maior dispersão do metal ativo devido aos valores elevados de área superficial das estruturas cristalinas de transição, sobretudo da fase gama, característica esta diretamente relacionada às condições de síntese. A incorporação de lantânia, como aditivo, tem sido considerada por moderar a acidez da superfície do suporte e minimizar a deposição de carbono no catalisador durante a reação de reforma. Tendo em vista que a atividade dos catalisadores na reação de reforma é função das características físicas e químicas desses materiais, avaliou-se, no presente trabalho, a rota de síntese por coprecipitação de hidróxidos em associação ao uso de surfactante e tratamento solvotérmico. A rota de mistura de pós de óxido de níquel com alumina, ambos preparados por precipitação individual, foi adotada para comparação dos resultados obtidos por coprecipitação. Nas condições otimizadas do processo, estudou-se o efeito da adição de óxido de lantânio nas propriedades dos materiais sintetizados. Verificou-se que o método de coprecipitação permitiu a obtenção de óxidos mistos com elevada área superficial (na faixa de 170 a 260 m2g-1), ao passo que a mistura de óxidos conduziu à formação de pós constituídos por fases distintas de alumina e óxido de níquel, com menor área superficial (na faixa de 60 a 180 m2.g-1). Após avaliação do comportamento de redução do óxido de níquel contido nesses materiais, as propriedades dos pós obtidos foram correlacionadas com o desempenho na produção de hidrogênio pela reforma do etanol. De acordo com os resultados, o catalisador preparado por coprecipitação apresentou menor atividade na produção de hidrogênio, comparativamente aos materiais obtidos por coprecipitação em associação com tratamento solvotérmico e mistura de óxidos. Em contraste, verificou-se uma menor quantidade de carbono acumulado sobre o catalisador preparado por coprecipitação, indicativo da elevada estabilidade catalítica deste material durante a reação de reforma. / Hydrogen use as an energy vector represents a promising option in order to reduce the dependence on fossil fuels and to control the emission of pollutants into the atmosphere. Nowadays, one of the most important routes for hydrogen production includes steam reforming reactions of alcohols over alumina-supported nickel catalysts. Nickel is largely applied in catalysis because of its low cost and high activity for C-C bond rupture. Alumina, in turn, promotes appropriate dispersion of the active metal due to the high surface area values of its transition crystalline structures, especially gamma phase. These characteristics are related to synthesis conditions. Incorporation of lanthana as an additive has been considered to control alumina surface acidity and to inhibit catalyst deactivation by carbon deposition during reforming reaction. Considering that catalyst activity is a function of materials physical and chemical properties, it was evaluated in this work powder synthesis route by coprecipitation in association with surfactant templating method and solvothermal treatment. Mechanical milling of nickel oxide and alumina powders, which were individually prepared by chemical precipitation, was adopted for comparison purposes. Under optimized preparation conditions, the effect of lanthanum oxide addition on the materials properties was studied. It was verified that coprecipitation allowed the production of high surface area mixed oxides (170-260 m2g-1). Mechanical mixture led to the formation of materials constituted by alumina and nickel oxide phases, with low surface area (60-180 m2.g-1). After evaluation of nickel oxide reduction behavior, in hydrogen atmosphere, a correlation between properties and performance in hydrogen production by ethanol steam reforming was established. According to the results, the catalyst prepared by coprecipitation was less active for hydrogen generation compared to the ones obtained by coprecipitation followed by solvothermal treatment and mechanical milling methods. In contrast, the lowest amount of carbon deposits was found on the catalyst prepared by coprecipitation, which is an indicative of the high catalytic stability during reforming reaction.

A produção de energia é um dos grandes desafios deste século, principalmente com a necessidade no desenvolvimento de processos que utilizem preferencialmente fontes renováveis. Nesse contexto, é claro o interesse por pesquisas baseada no hidrogênio. Porém, os ganhos ambientais efetivos estão associados também à matéria-prima usada no processo de geração do hidrogênio, senso assim mais significativo quando do uso de fontes renováveis. No presente trabalho foi estudado o efeito da adição de diferentes teores de CeO2 em catalisadores de NiZnO, preparados pelo método da co-precipitação. Os catalisadores foram estudados frente à reação de reforma a vapor do etanol (RVE) para produção de H2, e no decorrer do trabalho foi pertinente incluir o estudo da reforma a vapor da acetona (RVA), como complemento dos estudos da RVE. Além disso, esta é uma molécula modelo para reforma a vapor do bio-óleo. Nos sistemas catalíticos sintetizados houve a formação da liga NiZn3, o que aparenta proporcionar um efeito sinérgico entre esses elementos. Observou-se um efeito altamente promotor do CeO2 com relação a diminuição do coque formado, devido a uma menor da formação da acetona, durante as etapas de reforma do etanol. O que consequentemente interferiu na produção de H2. O catalisador contendo 20% de CeO2 denominado NiZn20Ce apresentou um desempenho altamente promissor, pois de acordo com as análises de DRIFT, a presença do CeO2 levou a formação de espécies de formiato, o que consequentemente interferiu em uma menor formação de coque e maior produção de H2. Foi comprovado também que a natureza dos depósitos carbonáceos depende tanto do substrato utilizado quanto das etapas precursoras inicias que levarão a formação desse coque, sendo o ponto chave para um melhor desempenho do catalisador. / Energy production is one of the great challenges of this century, especially with the need to develop processes that use preferentially renewable sources. In this context, it´s evident the interest in research based on hydrogen. However, the environmental benefits are also associated with the raw material used on the hydrogen generation process, being more significant when used renewable sources. In the present work, it was studied the effect of CeO2 addition in NiZnO catalysts, prepared by coprecipitation method. The catalysts were studied front of the ethanol steam reforming reaction (ESR) to produce H2, and in the course of this study was relevant include study of acetone steam reforming (ASR), as a complement of ESR studies. Moreover, acetone is a molecule model for steam reforming of bio-oil. In the catalyst systems there has been the NiZn3 alloy formation, which provides a synergistic effect between these elements. It was observed a high CeO2 promoter effect regarding reduction of the formed coke, due to lower formation of acetone in the ethanol reforming steps, and consequently interfere in the H2 production. The catalyst denominated NiZn20Ce showed a high performance, according to DRIFT analyzes, the presence of the CeO2 led to the formation of species formate, which in turn interfere through a lower coke formation and higher H2 production. It was also established that the nature of the carbonaceous deposits depends as the substrate used as the precursors initial steps that led the formation of this coke, and it is the key to a better performance of the catalyst.

Abstract Degradation of the support and sintering of catalyst nanoparticles inherently leads to a loss of functionality of catalyst materials in converters and sensors. Malfunction in such devices may lead to serious economic and environmental damage. The quest for novel and sustainable catalyst materials with better durability is thus ongoing. In this thesis, one-dimensional nanomaterials such as carbon nanotubes and titanium dioxide nanowires are studied and compared to their conventional zero-dimensional counterparts in regard to their structural and functional stability. With the combination of several catalyst nanomaterials and supporting surfaces, aging properties of more than 70 different materials are assessed by the means of X-ray diffraction, transmission electron microscopy and energy-dispersive X-ray analyses. Although CNTs were shown to be thermally the most stable carbonaceous supports for metal nanoparticles, they are, similar to other carbon supports, more sensitive to high temperatures than metal oxide supports and can suffer deactivation by catalytic oxidation and gasification even at moderate temperatures. In addition, the irradiation of the samples with e-beams caused the most dramatic changes in CNT based materials, where nanosized deformities (voids, channels) were formed when either nanoparticles or defects were present. The prepared nanocompositions have been utilized successfully in three different applications including (i) synthesis of hydrogen from ethanol via a steam reforming reaction, (ii) hydrogenation of citral to form value added chemicals and (iii) the application of advanced electrode materials in electric double-layer capacitors. Both CNT and TiO₂ nanowire based nanomaterials were shown to outperform their conventional nano- and microparticle based counterparts in the studied catalytic reactions, i.e. in citral hydrogenation and steam reforming of ethanol, respectively. Furthermore, nanostructured CNTs obtained by catalytic partial oxidation of the material showed an increased specific surface area, which could be exploited in supercapacitor electrodes with enhanced specific capacitance. / Tiivistelmä Katalyyttitukimateriaalin pilaantuminen ja katalyyttinanopartikkelien sintrautuminen johtavat siihen, että muuntajissa ja sensoreissa käytettävät katalyyttiset materiaalit eivät enää toimi, mikä voi aiheuttaa sekä vakavia taloudellisia haittoja että ympäristöhaittoja. Tämän vuoksi kehitetään uusia kestävämpiä katalyyttimateriaaleja. Tässä väitöskirjassa tutkittiin yksiulotteisia nanomateriaaleja, kuten hiilinanoputkia sekä titaanidioksidinanojohtimia ja verrattiin niiden rakenteellista ja toiminnallista stabiiliutta perinteisiin nollaulotteisiin vastineisiin. Erilaisten katalyyttinanomateriaalien ja tukimateriaalien yhdistelmien ikääntymistä arvioitiin röntgendiffraktion, läpäisyelektronimikroskopian ja energiadispersiivisen röntgenanalyysin avulla yli 70 erilaisesta näytteestä. Vaikka hiilinanoputket osoittautuivat termisesti stabiileimmaksi hiilipohjaiseksi tukimateriaaliksi metallinanopartikkeleille, ne ovat kuten kaikki hiilimateriaalit, metallioksiditukimateriaaleja herkempiä korkeille lämpötiloille. Hiilinanoputkipohjaiset katalyytit voivat deaktivoitua katalyyttisen hapettumisen tai kaasuuntumisen vuoksi jo kohtalaisissa lämpötiloissa. Lisäksi elektronisäteellä säteilytetyt nanopartikkelit tai pintavirheitä sisältävät hiilinanoputkipohjaiset katalyytit olivat tutkituista nanomateriaaleista herkimpiä muodostamaan nanorakenteita (koloja, kanavia). Valmistettuja nanokomposiitteja käytettiin onnistuneesti kolmessa eri sovelluksessa: i) vedyn valmistuksessa etanolista höyryreformointireaktiolla, ii) hienokemikaalien valmistuksessa sitraalin hydrauksella sekä iii) elektrodimateriaalina EDLC-kondensaattorissa. Sekä hiilinanoputki- sekä TiO₂-nanojohdinpohjaiset nanomateriaalit toimivat testatuissa katalyyttisissa reaktioissa (etanolin reformointi sekä sitraalin hydraus) paremmin kuin niiden perinteiset vastineet. Lisäksi superkondensaattorin ominaiskapasitanssia onnistuttiin nostamaan lisäämällä hiilinanoputkipohjaisen elektrodin ominaispinta-alaa katalyyttisella hapetusreaktiolla.

O uso do hidrogênio, como vetor energético, representa uma opção promissora a fim de se reduzir a dependência dos combustíveis fósseis e controlar a emissão de poluentes na atmosfera. Atualmente, uma das rotas mais propícias para produção de hidrogênio envolve a reação de reforma a vapor de álcoois utilizando-se catalisadores de níquel suportados em alumina. O níquel é amplamente utilizado em catálise devido ao baixo custo e à elevada atividade para ruptura da ligação C-C. A alumina, por sua vez, promove maior dispersão do metal ativo devido aos valores elevados de área superficial das estruturas cristalinas de transição, sobretudo da fase gama, característica esta diretamente relacionada às condições de síntese. A incorporação de lantânia, como aditivo, tem sido considerada por moderar a acidez da superfície do suporte e minimizar a deposição de carbono no catalisador durante a reação de reforma. Tendo em vista que a atividade dos catalisadores na reação de reforma é função das características físicas e químicas desses materiais, avaliou-se, no presente trabalho, a rota de síntese por coprecipitação de hidróxidos em associação ao uso de surfactante e tratamento solvotérmico. A rota de mistura de pós de óxido de níquel com alumina, ambos preparados por precipitação individual, foi adotada para comparação dos resultados obtidos por coprecipitação. Nas condições otimizadas do processo, estudou-se o efeito da adição de óxido de lantânio nas propriedades dos materiais sintetizados. Verificou-se que o método de coprecipitação permitiu a obtenção de óxidos mistos com elevada área superficial (na faixa de 170 a 260 m2g-1), ao passo que a mistura de óxidos conduziu à formação de pós constituídos por fases distintas de alumina e óxido de níquel, com menor área superficial (na faixa de 60 a 180 m2.g-1). Após avaliação do comportamento de redução do óxido de níquel contido nesses materiais, as propriedades dos pós obtidos foram correlacionadas com o desempenho na produção de hidrogênio pela reforma do etanol. De acordo com os resultados, o catalisador preparado por coprecipitação apresentou menor atividade na produção de hidrogênio, comparativamente aos materiais obtidos por coprecipitação em associação com tratamento solvotérmico e mistura de óxidos. Em contraste, verificou-se uma menor quantidade de carbono acumulado sobre o catalisador preparado por coprecipitação, indicativo da elevada estabilidade catalítica deste material durante a reação de reforma. / Hydrogen use as an energy vector represents a promising option in order to reduce the dependence on fossil fuels and to control the emission of pollutants into the atmosphere. Nowadays, one of the most important routes for hydrogen production includes steam reforming reactions of alcohols over alumina-supported nickel catalysts. Nickel is largely applied in catalysis because of its low cost and high activity for C-C bond rupture. Alumina, in turn, promotes appropriate dispersion of the active metal due to the high surface area values of its transition crystalline structures, especially gamma phase. These characteristics are related to synthesis conditions. Incorporation of lanthana as an additive has been considered to control alumina surface acidity and to inhibit catalyst deactivation by carbon deposition during reforming reaction. Considering that catalyst activity is a function of materials physical and chemical properties, it was evaluated in this work powder synthesis route by coprecipitation in association with surfactant templating method and solvothermal treatment. Mechanical milling of nickel oxide and alumina powders, which were individually prepared by chemical precipitation, was adopted for comparison purposes. Under optimized preparation conditions, the effect of lanthanum oxide addition on the materials properties was studied. It was verified that coprecipitation allowed the production of high surface area mixed oxides (170-260 m2g-1). Mechanical mixture led to the formation of materials constituted by alumina and nickel oxide phases, with low surface area (60-180 m2.g-1). After evaluation of nickel oxide reduction behavior, in hydrogen atmosphere, a correlation between properties and performance in hydrogen production by ethanol steam reforming was established. According to the results, the catalyst prepared by coprecipitation was less active for hydrogen generation compared to the ones obtained by coprecipitation followed by solvothermal treatment and mechanical milling methods. In contrast, the lowest amount of carbon deposits was found on the catalyst prepared by coprecipitation, which is an indicative of the high catalytic stability during reforming reaction.

[pt] Neste trabalho é realizada a simulação de um sistema híbrido de geração de energia para pequenas comunidades, através de um simulador do sistema integrado de fornecimento de energia elétrica para consumidores sem acesso à rede de distribuição de energia elétrica desenvolvido para este fim. O simulador foi desenvolvido em Excel e Visual Basic for Applications (VBA). O sistema inicial consiste basicamente de uma unidade de células a combustível, baterias, um reformador de etanol para produção de hidrogênio, compressor, cilindros de armazenamento e painéis fotovoltaicos. A simulação foi desenvolvida aumentando-se gradativamente a quantidade dos componentes do sistema para atender à demanda de vários consumidores SIGFI45, até o limite do sistema, visando a diminuição do custo total de instalação por kWh para cada consumidor. Posteriormente foram avaliadas as características de cada equipamento (reformador de hidrogênio, célula a combustível do tipo PEM, painéis fotovoltaicos, banco de baterias de chumbo-ácido, inversor de frequência, compressor de hidrogênio) e a ampliação do sistema para atender a mais usuários. Foram analisados diferentes cenários, de acordo com o aumento do número de usuários do sistema e a demanda de energia resultante. Como resultado, a simulação do sistema ampliado atendeu a um maior número de consumidores, satisfazendo a demanda de pequenas comunidades com um custo menor para a produção de energia do que no caso com o sistema inicial. / [en] In this current work it is realized the simulation of a hybrid energy generation system for small communities, through a simulation program of the integrated system of energy supply for offgrid costumers developed for this purpose. The simulator was developed in Excel and Visual Basic for Applications (VBA). The starting system consists of a unit of fuel cells, lead-acid batteries, ethanol reformer to produce hydrogen, compressor, storage cylinders and photovoltaic panels. The simulation was developed adding a new component when it was necessary to supply the demand of more than one customer SIGFI45, up to the limit of the system, aiming at reducing the installation cost per kWh for each consumer. Subsequently, the characteristics of each equipment (hydrogen reformer, PEM fuel cell, photovoltaic panels, battery bank, inverter, hydrogen compressor) were evaluated and the system was expanded to supply more users. Different scenarios were analyzed in accordance with the increase in the number of users of the system and the resulting energy demand. As a result, the optimization of the system has supplied a greater number of customers and it can supply energy for small communities with a lower cost for energy production than the original system.