Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2007. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references (p. 216-224).

abstract: One of the greatest problems facing society today is the development of a sustainable, carbon neutral energy source to curb the reliance on fossil fuel combustion as the primary source of energy. To overcome this challenge, research efforts have turned to biology for inspiration, as nature is adept at inter-converting low molecular weight precursors into complex molecules. A number of inorganic catalysts have been reported that mimic the active sites of energy-relevant enzymes such as hydrogenases and carbon monoxide dehydrogenase. However, these inorganic models fail to achieve the high activity of the enzymes, which function in aqueous systems, as they lack the critical secondary-shell interactions that enable the active site of enzymes to outperform their organometallic counterparts. To address these challenges, my work utilizes bio-hybrid systems in which artificial proteins are used to modulate the properties of organometallic catalysts. This approach couples the diversity of organometallic function with the robust nature of protein biochemistry, aiming to utilize the protein scaffold to not only enhance rates of reaction, but also to control catalytic cycles and reaction outcomes. To this end, I have used chemical biology techniques to modify natural protein structures and augment the H2 producing ability of a cobalt-catalyst by a factor of five through simple mutagenesis. Concurrently I have designed and characterized a de novo peptide that incorporates various iron sulfur clusters at discrete distances from one another, facilitating electron transfer between the two. Finally, using computational methodologies I have engineered proteins to alter the specificity of a CO2 reduction reaction. The proteins systems developed herein allow for study of protein secondary-shell interactions during catalysis, and enable structure-function relationships to be built. The complete system will be interfaced with a solar fuel cell, accepting electrons from a photosensitized dye and storing energy in chemical bonds, such as H2 or methanol. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Biochemistry 2016

Neste trabalho foram preparados e caracterizados catalisadores de cobalto suportados em y-Al2O3, CeO2, 20%CeO2-yAl2O3 e em soluções sólidas CexZr1-xO2 (0<= x<=1), pelo método de impregnação, com o objetivo de avaliar o desempenho destes frente à reforma a vapor e oxidativa do etanol. Na preparação dos catalisadores utilizou-se o teor de 20% em massa de cobalto, para os suportes y-Al2O3, CeO2 e 20%CeO2-y-Al2O3, e 10% para os suportes CexZr1-xO2. Para a caracterização dos sólidos, as técnicas utilizadas foram: Espectroscopia Dispersiva de Raios-X (EDX), Redução a Temperatura Programada com H2 (RTP-H2), Difração de Raios-X pelo método do pó (DRX), Adsorção de Nitrogênio pelo método B.E.T. e Espectroscopia na região do Ultravioleta e do Visível. As reações de reforma a vapor de etanol foram realizadas nas temperaturas de 400, 500 e 600oC com razões molares H2O/Etanol= 3/1 e 4/1. Já, os ensaios catalíticos de reforma oxidativa foram realizados a 500oC com razões molares H2O/Etanol/O2= 3/1/0,16 e 3/1/0,20. Através dos resultados de DRX e RTP-H2 verificou-se a formação da fase Co3O4 para todos os catalisadores. Para os catalisadores suportados em y-Al2O3 e 20%CeO2-y Al2O3 observou-se ainda a formação da fase CoO-Al2O3. Nos ensaios catalíticos de reforma a vapor do etanol foi verificado que as mais altas conversões do etanol em produtos e maiores seletividades a hidrogênio foram obtidas a 600oC e razão H2O/Etanol=3/1. A maior razão CO2/CO foi obtida a 500oC com o catalisador Co/Ce0,4Zr0,6O2. Observou-se também que a adição de oxigênio ocasionou uma diminuição na deposição de carbono. / Cobalt supported in yAl2O3, CeO2, 20%CeO2-yAl2O3 and CexZr1-xO2 (0<= x <= 1) solid solution, were prepared by impregnation and applied in steam and oxidative reforming of ethanol. In the preparation of the catalysts was used 20wt.% of cobalt with yAl2O3, CeO2 and 20%CeO2-yAl2O3 supports and 10wt.% with CexZr1-xO2 supports. The solids were characterized by X-Ray Dispersive Spectroscopy; Temperature Programmed of Reduction with H2 (TPR- H2); X-Ray Diffraction (XRD); Nitrogen Adsorption by B.E.T. method; Ultraviolet and Visible Spectroscopy. The ethanol steam reforming was carried out at 400, 500 and 600oC with molar rates H2O/Ethanol= 3/1 and 4/1. The ethanol oxidative reforming was carried out at 500 °C with molar rates H2O/Ethanol/O2 = 3/1/0.16 e 3/1/0.20. XRD and TPR-H2 results showed the formation of Co3O4 phase for all catalysts. For the catalysts supported in y-Al2O3 and 20%CeO2-y-Al2O3 was still observed the formation of the CoO-Al2O3 phase. In the ethanol steam reforming the higher conversion was obtained at 600°C and the best H2 selectivity was observed with the H2O/Etanol=3/1 molar ratio. The higher CO2/CO ratio was observed at 500oC with Co/Ce0,4Zr0,6O2 catalyst. Already, the addition of oxygen caused a decrease in the carbon deposition.

To date there has been much work carried out in the field of surface science to gain a better understanding of the fundamentals of a wide range of catalytic systems and reactions. The central theme of this thesis relates to cobalt based Fischer-Tropsch synthesis (FTS) with particular focus on the structure, composition and surface chemistry of CoPd bimetallic systems and on the interaction of Co with oxide support materials. In the work described in this thesis MEIS and STM are used to examine the growth of Co on Pd{111} and to characterise the structure of CoPd alloys created by thermal treatment of thin Co films. MEIS investigations indicate that Co grows initially as an fcc overlayer, but beyond a few layers, a stacking fault exists resulting in hcp growth. On annealing between 550 and 700 K, a previously unreported ordered surface alloy is observed giving rise to a p(2 x 1) structure which is concluded to be the surface termination of an ordered CoPd bulk alloy. At higher annealing temperatures, long range Moiré structure is observed by STM which MEIS reveals to correspond to a Pd-rich alloy. MEIS is used to investigate adsorbate induced segregation effects at CoPd surfaces on Pd{111}. The adsorption of O2, CO, H2 and CO/H2 mixtures (syngas) were all examined on a range of bimetallic surfaces. Oxygen adsorption on CoPd alloys strongly segregates cobalt to the surface as a result of the facile oxidation reaction. The behaviour of the components of syngas was more complex with the most noticeable effects being observed on surfaces which were more defect rich. The growth, annealing behaviour and adsorption properties of Co particles on oxide and mixed oxide surfaces are examined using MEIS and TPD.

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Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-03-23T19:48:20Z No. of bitstreams: 1 JOCIELYS JOVELINO RODRIGUES - TESE PPGEQ 2015..pdf: 2539318 bytes, checksum: 88878182929175962ca411ac34f42556 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-23T19:48:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JOCIELYS JOVELINO RODRIGUES - TESE PPGEQ 2015..pdf: 2539318 bytes, checksum: 88878182929175962ca411ac34f42556 (MD5) Previous issue date: 2015 / Capes / Este trabalho teve como objetivo, desenvolver peneiras moleculares utilizando fontes de sílica convencional (TEOS) e alternativa (cinza da casca de arroz), utilizá-las como suportes para catalisadores de Cobalto destinados à síntese de FischerTropsch, e também, investigar o efeito da introdução de rutênio como promotor na reação acima mencionada. Preparou-se a SBA-15 a partir de um gel com composição molar: 1.0 FONTE DE SÍLICA: 0.017 P123: 5.7 HCl: 193 H2O. Os catalisadores foram preparados pelo processo de impregnação úmida utilizando solução de 0,1 M de (Co(NO3)2.6H2O). Na sequência, foi incorporado o promotor rutênio usando solução aquosa de 0,1M de Cloreto de Rutênio (RuCl3xH2O). As amostras foram caracterizadas por DRX, EDX, TG/ATD, MEV, MET, RTP e adsorção física de N2. A reação de Fischer-Tropsch foi conduzida em reator leito de lama durante 6 horas de reação a 240oC e pressão de 20 bar, utilizando uma relação molar H2/CO = 1. A obtenção da SBA-15 utilizando fontes de sílica convencional e alternativa pôde ser confirmada pelos difratogramas, com destaque para a SBA-15 obtida com a fonte alternativa cinzas da casca de arroz, resíduo agrícola produzido em longa escala e que praticamente não tem aplicação comercial. Os difratogramas dos catalisadores na faixa angular de 0-8º mostraram que após a impregnação dos metais e calcinação, não ocorreram modificações na estrutura hexagonal dos materiais mesoporosos, observando-se os picos principais da fase do SBA-15. As análises de adsorção física de N2 das peneiras moleculares SBA-15 (CCA) e SBA15 (TEOS), mostram isotermas com perfil do tipo IV e histerese H1, características de materiais mesoporosos. As análises térmicas das peneiras moleculares SBA-15 (TEOS) e SBA-15 (CCA) indicaram a eliminação do direcionador (Pluronic) no processo de calcinação. As áreas superficiais específicas dos catalisadores diminuem e o volume de poro varia, devido ao bloqueio parcial dos poros pelo cobalto e pelo promotor rutênio, mas a estrutura da peneira molecular SBA-15 não é alterada. Os perfis de RTP dos catalisadores das séries Co/SBA-15 e Ru/Co/SBA-15 permitiram verificar a presença de picos distintos que pode ser causado pela redução dos óxidos de cobalto. A MET mostrou espécies de cobalto na forma esférica com tamanho de 20 nm, e após a co-impregnação com rutênio, houve uma melhor dispersão dessas espécies de cobalto resultando em partículas menores com tamanho médio de 10 nm. Os resultados obtidos a partir da síntese de FischerTropsch pelos catalisadores, apresentaram altas seletividades a hidrocarbonetos C5+ de alto valor agregado, bem como, verificou-se que a co-impregnação do promotor rutênio no catalisador Co/SBA-15, favoreceu o aumento da seletividade para hidrocarbonetos C5+ e diminuiu a seletividade para metano, com destaque para o desempenho do catalisador 20%Co/0,5%Ru/SBA-15 preparado com as cinzas da casca de arroz. / The aim of this work was to prepare the mesoporous molecular sieve SBA-15 using conventional silica sources (TEOS) and alternative (Ash rice husk) and uses them as support for cobalt catalysts for the Fischer-Tropsch process. And investigate the introduction of ruthenium as a promoter. It was prepared SBA- 15 from a gel of molar composition : 1.0 silica source : 0.017 P123 : 5.7 HCl : 193 H2O. The catalysts were prepared by wet impregnation process using 0.1 M solution (Co(NO3)2.6H2O) (Vetec). Following ruthenium promoter was incorporated using 0.1 M aqueous solution of ruthenium chloride (RuCl3xH2O). The samples were characterized by XRD, EDX , TG/DTA, SEM, TEM, TPR and adsorption of N2. The Fischer-Tropsch reaction is conducted at 240 °C , pressure of 20 bar using a molar ratio H2/CO = 1, on a slurry reactor for a reaction time of 8 h. Obtaining the SBA -15 silica using conventional sources and alternative could be confirmed by X ray diffraction , with emphasis on the SBA -15 obtained with the alternative source of rice husk ash , a residue of agriculture abundant and cheap that is usually discarded. The XRD patterns of the catalysts in the angular range 0-8º showed that after impregnation and calcination of the metal changes did not occur in the hexagonal structure of mesoporous materials , observing the main peaks of the phase of SBA -15. The physical adsorption of N2 analysis of SBA -15 molecular sieves (CCA) and SBA -15 (TEOS) show with type IV isotherm profile and H1 hysteresis characteristics of mesoporous material. The thermal analysis of SBA -15 molecular sieves (TEOS) and SBA -15 (CCA) indicated the elimination of the template (Pluronic) in the calcination process. The specific surface areas of the catalysts decreases , and the pore volume changes due to partial blockage of the pores by cobalt and ruthenium promoter, but the structure of SBA -15 molecular sieve is not changed. TPR profiles of the catalysts of the series Co /SBA- 15 and Ru /Co /SBA -15 evidenced the presence of distinctive peaks that can be caused by the reduction of cobalt oxides. TEM showed cobalt species on spherical 20 nm in size, and after co- impregnation with ruthenium was a better dispersion of these cobalt species resulting in particles with average size smaller than 10 nm. The results obtained from the Fischer- Tropsch the catalysts showed high selectivity to hydrocarbons C5+ of high value, and it was found that co- impregnation of the ruthenium promoter in the Co catalyst /SBA -15 promoted the increase of selectivity to C5+ hydrocarbons and decreased the selectivity to methane, highlighting the performance of the catalyst 20 % Co/0.5 % Ru/SBA-15 prepared with the ashes of the rice husk .

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[pt] A síntese de Fischer-Tropsch converte o gás de síntese (H2 + CO), em uma variedade complexa de hidrocarbonetos na presença de um catalisador (principalmente Co/Al2O3). Neste trabalho foram estudados catalisadores de Co e o Fe (1 e 5% em massa), incorporados aos suportes: zeólitas KL, HL 0,1M e HL 1,0 M, além da peneira molecular mesoporosa MCM- 41, pelo método de impregnação úmida incipiente, para a reação de Fischer- Tropsch. As amostras preparadas foram analisadas pelas técnicas de: Espectometria de Emissão Atômica de Plasma Acoplado Induzido, Adsorção Física de N2 pelo método BET, Difração de Raios-X, Redução com Temperatura Programada, Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), Quimissorção de Hidrogênio e Espectroscopia no Infravermelho de piridina adsorvida. Além disso, as amostras foram avaliadas em um reator de leito fixo na reação de Fischer-Tropsch. Para as amostras de ferro, com mesmo teor e suportes diferentes, pode-se observar que a amostra suportada na MCM-41 apresentou um grau de redução menor. Entre as amostras de ferro suportadas na KL, a 5% Fe/KL apresentou maior grau de redução e foi observado por microscopia eletrônica de transmissão (MET) que as partículas de ferro apresentaram diâmetro em torno de 6 nm. Para as amostras de cobalto foi observado que a temperatura de redução da amostra suportada na MCM-41 foi mais alta. A amostra 5% Co/KL apresentou um maior grau de redução. Foi possível observar por MET que as partículas de cobalto apresentaram diâmetro variando entre 8 e 20 nm. Verificou-se que o catalisador com maior teor de ferro proporcionou uma maior conversão de CO, tendo sido a distribuição de produtos deslocada para as frações mais leves. Comparando os catalisadores de ferro suportados na zeólita KL e na MCM-41 pode-se concluir que as conversões são da mesma ordem de grandeza. Foi observado que o ferro foi mais ativo que o cobalto em termos de conversão do CO, sendo que o cobalto promoveu a formação de uma maior quantidade de produtos na faixa de diesel, assim como uma menor quantidade de leves. / [en] The Fischer- Tropsch synthesis converts the synthesis gas (H2 + CO), in a complex variety of hydrocarbons, using a catalyst (Co/Al2O3 normally) were introduced to the used supports by the wetness incipient impregnation. The samples were analyzed by several techniques such as: plasma- emission spectrometry (ICP- EAS), N2 physical adsorption by BET method, X-ray diffraction (XRD), temperature programmed reduction (TPR), transmission electronic microscopy (TEM), hydrogen chemisorption and Infrared Spectroscopy of adsorbed pyridine. The catalysts were evaluated using a fixed bed reactor in the Fischer-Tropsch synthesis. For the iron samples, with the same metal content and different supports, it was observed that the MCM-41 sample presented the lowest reduction level. Among the iron samples supported in KL zeolite, the 5% Fe/KL sample presented the largest reduction level. It was observed by transmission electronic microscopy that the iron particles diameter measured around 6 nm. For the cobalt samples, it was observed that the reduction temperature of the MCM-41 supported was the highest one. The 5% Co/KL sample presented the largest reduction level. It was observed by TEM that the cobalt particles presented diameters in the range from 8 to 20 nm. It was verified that the catalyst with the largest iron percentage promoved the highest CO conversion. The products distribuition was shifted to light fractions. It was observed similar conversions to iron catalysts supported in the KL zeolite and in the MCM- 41 mesoporous molecular sieve. The iron catalysts were more active than the cobalt ones in the CO conversion, but tha cobalt catalysts promoted a higher content of diesel fraction and lesser light fractions.

A redução da emissão de compostos nitrogenados tem sido um dos grandes desafios da área de proteção ambiental e o tratamento catalítico pode reduzir significativamente tal emissão. Neste caminho, têm sido testadas várias categorias de catalisadores. Considerando-se o potencial de utilização de catalisadores de cobre e de cobalto nos processos de abatimento de compostos nitrogenados, bem como a necessidade de exploração dos efeitos gerados pelos suportes de óxido de cério e óxido de titânio, este trabalho teve como objetivos a preparação e a caracterização dos sistemas catalíticos CuO e Co3 O4 suportados em TiO2 , CeO2 e CeO2 -TiO3 (1%, 10%, 20% e 50% de CeO2 ), para aplicação no processo de redução de NO com CO na presença e ausência de O2 . Os catalisadores foram obtidos a partir do método de impregnação. Na caracterização das amostras foram utilizadas as técnicas de difração de raios X (DRX), redução à temperatura programada com H2 (RTP-H2 ), espectroscopia Raman, espectroscopia por energia dispersiva de raios X (EDX), fisissorção de nitrogênio e espectroscopia UV-visível próxima a região do infra-vermelho (UV-VIS-NIR). Os resultados da caracterização mostraram que os catalisadores apresentam fases de CuO altamente dispersas, bem como formando cristalitos com os suportes. Mostraram, também, que o cobalto está sobre a forma oxida Co3 O4 . As reações de redução de NO com CO mostraram que os catalisadores de cobre são mais ativos para estas reações e a adição do suporte CeO2 em TiO2 aumenta significativamente esta atividade. A adição de O2 na reação diminuiu a atividade frente à reação de redução de NO, isso porque o oxigênio é adsorvido sobre a superfície do catalisador, diminuindo sua atividade. / The reduction of the nitrogen composites emissions has been one of the great challenges of the ambient protection area and the catalytic treatment can reduce significantly such emissions. In this way, it has been tested some categories of catalysts. Considering the potential of use of copper and cobalt catalysts in the processes of nitrogen composites discouragement, as well as the necessity of exploration of the effect generated for CeO2 and TiO2 supported , this work had as objective the preparation and the characterization of the catalytic systems supported CuO and Co3O4 in TiO2, CeO2 and CeO2-TiO2 (1%, 10%, 20% and 50% of CeO2), for application in the reduction process of NO with CO in presence and absence of O2. The catalysts had been gotten from the impregnation method. In the characterization of the samples the techniques that had been used was: X-ray diffraction had been used, temperature programmed reduction, Raman spectroscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, nitrogen physsisorption and UV-visible spectroscopy next the region to the infra-red ray (UV-VIS-NIR). The results of the characterization had shown that the catalysts present highly dispersed phases of CuO, as well as cristalitts. And, that cobalto meets under the form Co3O4. The reactions of reduction of NO with CO had shown that the copper catalysts are more active than the cobalto and the addition of the CeO2 support in TiO2 increases significantly this activity. The addition of O2 in the reaction diminished the activity front to the reaction of reduction of NO, just because the oxygen is adsorbed on the surface of the catalysts, diminishing its activity

A redução da emissão de compostos nitrogenados tem sido um dos grandes desafios da área de proteção ambiental e o tratamento catalítico pode reduzir significativamente tal emissão. Neste caminho, têm sido testadas várias categorias de catalisadores. Considerando-se o potencial de utilização de catalisadores de cobre e de cobalto nos processos de abatimento de compostos nitrogenados, bem como a necessidade de exploração dos efeitos gerados pelos suportes de óxido de cério e óxido de titânio, este trabalho teve como objetivos a preparação e a caracterização dos sistemas catalíticos CuO e Co3 O4 suportados em TiO2 , CeO2 e CeO2 -TiO3 (1%, 10%, 20% e 50% de CeO2 ), para aplicação no processo de redução de NO com CO na presença e ausência de O2 . Os catalisadores foram obtidos a partir do método de impregnação. Na caracterização das amostras foram utilizadas as técnicas de difração de raios X (DRX), redução à temperatura programada com H2 (RTP-H2 ), espectroscopia Raman, espectroscopia por energia dispersiva de raios X (EDX), fisissorção de nitrogênio e espectroscopia UV-visível próxima a região do infra-vermelho (UV-VIS-NIR). Os resultados da caracterização mostraram que os catalisadores apresentam fases de CuO altamente dispersas, bem como formando cristalitos com os suportes. Mostraram, também, que o cobalto está sobre a forma oxida Co3 O4 . As reações de redução de NO com CO mostraram que os catalisadores de cobre são mais ativos para estas reações e a adição do suporte CeO2 em TiO2 aumenta significativamente esta atividade. A adição de O2 na reação diminuiu a atividade frente à reação de redução de NO, isso porque o oxigênio é adsorvido sobre a superfície do catalisador, diminuindo sua atividade. / The reduction of the nitrogen composites emissions has been one of the great challenges of the ambient protection area and the catalytic treatment can reduce significantly such emissions. In this way, it has been tested some categories of catalysts. Considering the potential of use of copper and cobalt catalysts in the processes of nitrogen composites discouragement, as well as the necessity of exploration of the effect generated for CeO2 and TiO2 supported , this work had as objective the preparation and the characterization of the catalytic systems supported CuO and Co3O4 in TiO2, CeO2 and CeO2-TiO2 (1%, 10%, 20% and 50% of CeO2), for application in the reduction process of NO with CO in presence and absence of O2. The catalysts had been gotten from the impregnation method. In the characterization of the samples the techniques that had been used was: X-ray diffraction had been used, temperature programmed reduction, Raman spectroscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, nitrogen physsisorption and UV-visible spectroscopy next the region to the infra-red ray (UV-VIS-NIR). The results of the characterization had shown that the catalysts present highly dispersed phases of CuO, as well as cristalitts. And, that cobalto meets under the form Co3O4. The reactions of reduction of NO with CO had shown that the copper catalysts are more active than the cobalto and the addition of the CeO2 support in TiO2 increases significantly this activity. The addition of O2 in the reaction diminished the activity front to the reaction of reduction of NO, just because the oxygen is adsorbed on the surface of the catalysts, diminishing its activity