Ph.D. / This work presents a detailed study of the synthesis of carbon nanotubes and nanospheres by nebulised spray pyrolysis. This method has been used by other workers mainly for preparation of sub-micron particles and the deposition of thin films on various substrates. The effect of various synthesis parameters including the temperature, choice of the carbon source and the metal precursor as well as the carrier gas flow rate on the selectivity of the reaction and the properties of the carbon nanotubes produced was investigated. A major part of this work was devoted to a study of the effects of the addition of small quantities of oxygencontaining compounds (alcohols, esters and aldehydes) to the reaction mixture. The products were analysed using various methods including TEM, SEM, Laser- Raman spectroscopy and HRTEM. Furthermore, the possible use of carbon nanotubes and carbon nanospheres as supports for palladium in the hydrogenation of ethylene was investigated. Nebulised spray pyrolysis proved to be a suitable technique for the synthesis of well graphitized carbon nanotubes and carbon nanospheres with uniform diameters and it was demonstrated that good control of the carbon nanotube properties could be achieved by controlling the synthesis parameters. Better graphitization of the carbon nanotubes was observed at higher temperatures. Ferrocene, iron pentacarbonyl, nickelocene and cobaltocene were successfully used in carbon nanotube synthesis with the last two producing carbon nanotubes with diameters close to those on single-walled carbon nanotubes. Toluene (with and without acetylene as a supplementary carbon source), benzene, mesitylene, xylene and nhexane were successfully used to produce carbon nanotubes with a high degree of alignment while no success was achieved with ethanol. The poor yields obtained with ethanol appear to be a consequence of chemical changes in the ethanol induced by exposure to ultrasound irradiation. On the other hand, low concentrations of methyl acetate and ethyl acetate appear to enhance the production of carbon nanotubes. It was demonstrated that carbon nanotubes and nanospheres are suitable for use as supports for palladium in the hydrogenation of ethylene. Pd particles of uniform size were obtained and the conversion rates were slightly higher when the carbon nanotubes were pre-treated with a mixture of sulphuric acid and nitric acid.

Neste trabalho foi estudado as ligas La0,7-xMgx Pr0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8 (x = 0 a 0,7) como eletrodo negativo de baterias de níquel - hidreto metálico. A hidrogenação das ligas foi realizada com duas pressões de H2 (2 bar e 10 bar) e temperaturas (ambiente e 500°C). A capacidade de descarga das ba terias de níquel hidreto metálico foram analisadas pelo equipamento de testes elétricos ARBIN BT-4. As ligas, no estado bruto de fusão, foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDS) e difração de Raios-X. Com o aumento da concentração de Mg nas ligas aumenta-se a capacidade de descarga, porém nota-se a diminuição a estabilidade cíclica das baterias. A capacidade de descarga máxima obtida foi para a liga Mg0,7Pr0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8 (60 mAh) e a bateria que apresentou a melhor performance foi La0,4Mg0,3Pr0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8 (53 mAh e 150 ciclos). A capacidade de absorção de hidrogênio diminui quando se adiciona Mg, não ocorrendo tal efeito para a liga Mg0,7Pr0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8. / In this work were studied of La0.7-xMgx Pr0.3Al0.3Mn0.4Co0.5Ni3.8 (x = 0 and 0.7) alloys for negative electrodes of the nickel-metal hydride batteries. The hydrogenation of the alloys was performed varying pressing of H2 (2 and 10 bar) and temperature (room and 500°C). The discharge capacity of the nic kel-metal hydride batteries were analyzed in ARBIN BT- 4 electrical test equipment. The as-cast alloys were analyzed by scanning electron microscopy (SEM), energy disperse spectroscopy (EDX) and X-Ray diffraction. The increasing Mg addition in the alloy increases maximum discharge capacity but decrease cycle life of the batteries. The maximum discharge capacity was obtained with the Mg0.7Pr0.3Al0.3Mn0.4Co0.5Ni3.8 alloy (60 mAh) and the battery which presented the best performance was La0.4Mg0.3Pr0.3Al0.3Mn0.4Co0.5Ni3.8 alloy (53 mAh and 150 cycles). The H2 capability of absorption was diminished for increased Mg addition and no such effect occurs for Mg0.7Pr0.3Al0.3Mn0.4Co0.5Ni3.8 alloy.

Compreender a correlação entre as características de um catalisador particular e seu desempenho catalítico tem sido um dos principais objetos da pesquisa em catálise heterogênea a fim de usar esse conhecimento para o desenho racional de catalisadores mais ativos, seletivos e estáveis. A seletividade é um dos fatores mais importantes a ser controlado pelo desenho de catalisadores, podendo ser alcançada de diversas maneiras, levando-se em consideração mudanças do tipo estrutural, química, eletrônica, de composição, de cinética e de energia. O trabalho descrito nessa tese de doutorado compreende a síntese e caracterização de catalisadores compostos de nanopartículas de óxido de cobre, paládio e cobre-paládio e seu estudo em reações de hidrogenação e oxidação seletivas de hidrocarbonetos insaturados. Os catalisadores foram preparados através da deposição de nanopartículas dos metais cataliticamente ativos sobre suportes magneticamente recuperáveis compostos de nanopartículas de magnetita revestidas por sílica com superfícies funcionalizada com diferentes grupos orgânicos. A natureza magnética do suporte permitiu a fácil separação do catalisador do meio reacional pela simples aproximação de um ímã na parede do reator. O catalisador pôde ser completamente separado da fase líquida, fazendo com que a utilização de outros métodos de separação como filtração e centrifugação, comumente utilizados em sistemas heterogêneos líquidos, fossem completamente dispensados. Os catalisadores foram inicialmente testados em reações de hidrogenação de alquenos e alquinos. As reações de hidrogenação foram realizadas utilizando hidrogênio molecular como agente redutor, dispensando a utilização de agentes redutores mais agressivos. Os catalisadores compostos de NPs de Pd mostram excelente atividade e capacidade de reutilização na hidrogenação de cicloexeno, podendo ser utilizados em até 15 ciclos sem perda de atividade. Nas reações de hidrogenação de alquinos, os catalisadores que contêm cobre mostraram maior seletividade para a obtenção dos produtos de semi-hidrogenação, com destaque para o catalisador composto de NPs de CuPd, que não apresenta nem traços do produto de hidrogenação completa na amostra final. Esse catalisador bimetálico alia as características do paládio (elevada atividade) e do cobre (elevada seletividade) para fornecer um catalisador ativo e seletivo para a transformação desejada. Além disso, os grupos funcionais presentes na superfície do suporte catalítico mostraram influência na atividade e seletividade para a hidrogenação de alquenos e alquinos. Os catalisadores sintetizados também foram testados na reação de oxidação de cicloexeno e mostraram seletividade para a produção do composto carbonílico α,β-insaturado, cicloex-2-en-1-ona, que é um reagente de partida de grande interesse para a síntese de diversos materiais na indústria química. As reações de oxidação foram realizadas utilizando-se apenas O2 como oxidante primário, dispensando o uso de oxidantes tóxicos como cromatos, permanganatos ou compostos halogenados, que não são recomendados do ponto de vista ambiental. Os catalisadores sintetizados puderam ser reutilizados em sucessivos ciclos de oxidação, mostrando seletividade para a formação dos produtos alílicos em todos os ciclos. Os catalisadores foram estáveis sob as condições reacionais e não apresentaram problemas de lixiviação da espécie ativa para o meio reacional, que é comum na catálise heterogênea. Um estudo cinético mostrou que, mesmo no início da reação, o catalisador tem seletividade para a ocorrência de oxidação alílica em detrimento da reação de oxidação direta que dá origem ao epóxidos correspondente, e se mostrou condizente com o mecanismo proposto na literatura para a reação de oxidação de alquenos via radicalar. / Understanding the correlation between the characteristics of a particular catalyst and its catalytic performance has been the main goal in heterogeneous catalysis research in order to use this knowledge for the rational design of more active, selective, and stable catalysts. Selectivity is one of the most important factors to be controlled by catalyst design as it can be tuned in several ways such as by structural, chemical, electronic, compositional, kinetic and energy considerations. This PhD thesis describes the synthesis and characterization of catalysts composed of palladium, copper oxide and copper-palladium nanoparticles and their study for selective hydrogenation and oxidation reactions of unsaturated hydrocarbons. The catalysts were prepared by deposition of the catalytic active metal nanoparticles on magnetically recoverable supports comprised of magnetite and silica-coated magnetite functionalized with different organic groups. The magnetic nature of support allowed the easy separation of the catalyst from the reaction medium by the approximation of a magnet on the reactor wall. The catalyst could be completely separated from the liquid phase, making unnecessary further uses of other separation methods, e.g. as filtration and centrifugation, commonly used in heterogeneous systems. Catalysts were initially tested in hydrogenation reactions of alkenes and alkynes. The hydrogenation reactions were carried out using molecular hydrogen as reducing agent, eliminating the use of more aggressive reducing agents. The Pd NPs catalyst showed excellent activity and recyclability for up to 15 cycles of hydrogenation of cyclohexene without losing activity. In alkyne hydrogenation, the catalysts containing copper showed the highest selectivity to obtain the semi-hydrogenation products, especially the CuPd NP catalyst, which does not display any traces of the complete hydrogenated product. This bimetallic catalyst combines the best characteristics of palladium (high activity) and copper (high selectivity) to provide an active and selective catalyst for the desired transformation. The functional groups present on the support surface showed influence on the activity and selectivity for the hydrogenation of alkenes and alkynes. The synthesized catalysts were also tested in the cyclohexene oxidation reaction and showed selectivity for the carbonyl α,β-unsaturated compound, cyclohex-2-en-1-one, which is a starting material of great interest for the synthesis of various materials in the chemical industry. The oxidation reactions were carried out using only O2 and primary oxidant, eliminating the use of toxic oxidants such as permanganates and chromates, which are not recommended from an environmental point of view. The synthesized catalyst could be reused in successive oxidation cycles, showing selectivity for the formation of the allylic products in all cycles. The catalysts were stable under reaction conditions and there was no leaching of the active species in the reaction medium, a common problem in heterogeneous catalysis. A kinetic study showed that even at the beginning of the reaction the catalyst has selectivity for the occurrence of allylic oxidation at the expense of direct oxidation reaction that gives rise to the corresponding epoxide, which is consistent with the mechanism proposed in the literature for a radical-chain oxidation of olefins.

O níquel desempenha um papel importante na catálise como uma alternativa ao uso de metais nobres; no entanto, a preparação de nanopartículas de níquel com o tamanho e composição bem controlados não é uma tarefa fácil. O trabalho descrito nessa dissertação compreende a preparação e caracterização de um novo catalisador heterogêneo cotendo nanopartículas de níquel e o estudo da atividade catalítica em reações de hidrogenação em fase gososa e líquida. O catalisador foi preparado por pulverização catódica (magnetron sputtering deposition), que permitiu a deposição de nanopartículas com diâmetro médio de 2,5 ± 0,3 nm sobre um suporte de sílica, sem a utilização de solventes ou estabilizantes. Diferentes tempos de pulverização catódica permitiram a obtenção de catalisadores com diferentes concentrações de metal sobre o suporte. O catalisador preparado foi caracterizado por microscopia eletrônica de transmissão (MET), difração de raios X (DRX), espectroscopia de fotoéletrons excitados por raios X (XPS) e espectroscopia de absorção de raios X (XAS). As análises por técnicas de raios X mostraram que o catalisador oxida parcialmente sua superfície após ser exposto ao ar ambiente. Utilizando XAS, foi possível mostrar que o catalisador como preparado possui 61% de níquel metálico e 39% de níquel óxido. O catalisador exposto ao ar por um ano ainda apresentava 49% de níquel metálico. O desempenho dos catalisadores foi estudado na reação modelo de hidrogenação de cicloexeno, utilizando hidrogênio molecular como agente redutor. Para a hidrogenação em fase líquida, o catalisador não se mostrou ativo nas condições estudadas e não pode ser ativado mesmo após pré-tratamento com hidrogênio molecular. Já na hidrogenação em fase gasosa, o catalisador apresentou atividade catalítica, sendo mais ativo quando submetido a um processo de ativação com fluxo de hidrogênio e aquecimento até 200 ºC. O catalisador perde atividade ao ser utilizado por um longo período ou utilizado em sucessivos ciclos de aquecimento em condições reacionais, mas a atividade pode ser recuperada quando o catalisador é tratado termicamente sob fluxo de hidrogênio. / Nickel plays an important role in catalysis as an affordable alternative for noble metals; however, it is one of the most difficult metal nanoparticles to prepare with well-controlled size and composition. This master thesis comprises the development and characterization of a new heterogeneous catalyst containing nickel nanoparticles and the catalytic studies for hydrogenation reactions in liquid and gas phase. The catalyst was prepared by magnetron sputtering deposition, allowing the deposition of nanoparticles of 2.5 ± 0.3 nm on silica, without using solvents and stabilizers. Different sputtering times allowed the preparation of catalysts with different loading of metal on silica. The catalyst prepared has been characterized by transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray absorption spectroscopy (XAS). The analysis by X-ray techniques revealed that the catalyst partially oxidize its surface after being exposed to ambient air. By XAS technique, it was possible to show that the catalyst as prepared has 61% of metallic nickel and 39% of nickel oxide. The as prepared catalyst was exposed to air for a year still contains 49% of metallic nickel. The performance of the catalyst was studied in cyclohexene hydrogenation model reaction, using molecular hydrogen as reducing agent. The catalyst was not active for the liquid phase hydrogenation under the studied conditions, and could not be activated by a pre-treatment with hydrogen. In the gas phase hydrogenation, the catalyst showed catalytic activity being more active when submitted to an activation process with hydrogen flow and heating to 200 ºC. The catalyst loses activity when used for a long time on stream or used in consecutive heating cycles under reaction conditions, but the activity can be regenerated when the catalyst is heat-treated under hydrogen flow.

O níquel desempenha um papel importante na catálise como uma alternativa ao uso de metais nobres; no entanto, a preparação de nanopartículas de níquel com o tamanho e composição bem controlados não é uma tarefa fácil. O trabalho descrito nessa dissertação compreende a preparação e caracterização de um novo catalisador heterogêneo cotendo nanopartículas de níquel e o estudo da atividade catalítica em reações de hidrogenação em fase gososa e líquida. O catalisador foi preparado por pulverização catódica (magnetron sputtering deposition), que permitiu a deposição de nanopartículas com diâmetro médio de 2,5 ± 0,3 nm sobre um suporte de sílica, sem a utilização de solventes ou estabilizantes. Diferentes tempos de pulverização catódica permitiram a obtenção de catalisadores com diferentes concentrações de metal sobre o suporte. O catalisador preparado foi caracterizado por microscopia eletrônica de transmissão (MET), difração de raios X (DRX), espectroscopia de fotoéletrons excitados por raios X (XPS) e espectroscopia de absorção de raios X (XAS). As análises por técnicas de raios X mostraram que o catalisador oxida parcialmente sua superfície após ser exposto ao ar ambiente. Utilizando XAS, foi possível mostrar que o catalisador como preparado possui 61% de níquel metálico e 39% de níquel óxido. O catalisador exposto ao ar por um ano ainda apresentava 49% de níquel metálico. O desempenho dos catalisadores foi estudado na reação modelo de hidrogenação de cicloexeno, utilizando hidrogênio molecular como agente redutor. Para a hidrogenação em fase líquida, o catalisador não se mostrou ativo nas condições estudadas e não pode ser ativado mesmo após pré-tratamento com hidrogênio molecular. Já na hidrogenação em fase gasosa, o catalisador apresentou atividade catalítica, sendo mais ativo quando submetido a um processo de ativação com fluxo de hidrogênio e aquecimento até 200 ºC. O catalisador perde atividade ao ser utilizado por um longo período ou utilizado em sucessivos ciclos de aquecimento em condições reacionais, mas a atividade pode ser recuperada quando o catalisador é tratado termicamente sob fluxo de hidrogênio. / Nickel plays an important role in catalysis as an affordable alternative for noble metals; however, it is one of the most difficult metal nanoparticles to prepare with well-controlled size and composition. This master thesis comprises the development and characterization of a new heterogeneous catalyst containing nickel nanoparticles and the catalytic studies for hydrogenation reactions in liquid and gas phase. The catalyst was prepared by magnetron sputtering deposition, allowing the deposition of nanoparticles of 2.5 ± 0.3 nm on silica, without using solvents and stabilizers. Different sputtering times allowed the preparation of catalysts with different loading of metal on silica. The catalyst prepared has been characterized by transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray absorption spectroscopy (XAS). The analysis by X-ray techniques revealed that the catalyst partially oxidize its surface after being exposed to ambient air. By XAS technique, it was possible to show that the catalyst as prepared has 61% of metallic nickel and 39% of nickel oxide. The as prepared catalyst was exposed to air for a year still contains 49% of metallic nickel. The performance of the catalyst was studied in cyclohexene hydrogenation model reaction, using molecular hydrogen as reducing agent. The catalyst was not active for the liquid phase hydrogenation under the studied conditions, and could not be activated by a pre-treatment with hydrogen. In the gas phase hydrogenation, the catalyst showed catalytic activity being more active when submitted to an activation process with hydrogen flow and heating to 200 ºC. The catalyst loses activity when used for a long time on stream or used in consecutive heating cycles under reaction conditions, but the activity can be regenerated when the catalyst is heat-treated under hydrogen flow.

Cette étude présente la préparation et l’évaluation de l’activité d’un nouveau catalyseur monolithique en microréacteur. La réaction d’hydrogénation du p-nitrophénol par transfert d’hydrogène avec l’acide formique a été choisie comme réaction modèle pour comparer les performances du monolithe à celles d’un catalyseur commercial en lit fixe.Cette thèse comporte une partie expérimentale importante. D’un côté, un montage expérimental et des protocoles d’analyse en ligne ont été mis au point pour faire une étude quantitative précise de la réaction modèle. De l’autre côté, les conditions de préparation d’un monolithe de silice fonctionnalisée dans le tube-réacteur en acier chemisé de verre ont été optimisées. Il a été chargé en nanoparticules de Pd par une méthode en écoulement. Le monolithe comporte un réseau de macropores pour l’écoulement et une organisation hexagonale typique de mésopores et micropores, et cela presque sans retrait au séchage. L’activité des 2 types de catalyseurs dans la réaction modèle a été comparée par leur cinétique de réaction et leur comportement dynamique dans la phase de mise en régime du microréacteur. Une partie théorique présente la modélisation du microréacteur en régime stationnaire pour l’établissement des cinétiques et en régime transitoire pour rationaliser les observations expérimentales. Le monolithe Pd@silice et le catalyseur commercial Pd@alumine ont des comportements différents et obéissent à des lois cinétiques différentes. Un modèle réactionnel impliquant un changement de propriétés de la surface catalytique pourrait expliquer le profil de concentration inhabituel observé avec le catalyseur commercial. La comparaison démontre la supériorité du nouveau catalyseur monolithe, et lui ouvre de bonnes perspectives industrielles. / This study presents the preparation and the evaluation of performance of a new monolithic catalyst in microreactor. The transfer hydrogenation of p-nitrophenol by formic acid is chosen as the model reaction for the comparison of the monolith with a traditional packed-bed microreactor containing commercial catalyst.This thesis includes an important experimental part. On the one hand, experimental set-up and protocols involving on-line analysis have been developed in order to study quantitatively the model reaction; On the other hand, the conditions of preparation of functionalized silica monolith in a stainless steel tube with the inner wall pre-coated by glass were optimized, and the palladium nanoparticles were immobilized by a continuous flow method. The monolith possesses the flow-through macropores, typical hexagonal organization of mesopores and micropores, and scarcely any shrinkage. The comparison of the two types of catalysts mainly focuses on the activity of catalysts in the model reaction, their kinetic model and their dynamic behavior in the start-up phase of the flow microreactor. In the theoretical part, the modelisation of reactor has been investigated both under stationary conditions for kinetics determination and under transient conditions for the rationalization of experimental observations. Pd@silica monolith and commercial Pd@alumina powder have different behavior and gives different kinetic laws. A reaction model with change in the catalytic surface properties could explain the unusual profile of concentrations observed with commercial catalyst. The superior performance of monolithic catalyst is demonstrated, which also exhibits particular industrial interests.

Diminuer les émissions de CO2, principal gaz à effet de serre, constitue un des enjeux majeurs de notre ère actuelle. De nombreuses mesures existent déjà mais sont encore insuffisantes. C’est dans ce cadre que le projet ANR DIGAS a vu le jour. Durant ces travaux, des matériaux catalytiques composés de CuO/ZnO/ZrO2 ont été développés par coprécipitation classique et ont été testés sous une pression de 50 bar pour la synthèse de méthanol à partir de l’hydrogénation de CO2. Ces catalyseurs ont ensuite été optimisés à l’aide d’un système développé au laboratoire : la synthèse microfluidique en continu. Elle a permis de rendre les catalyseurs plus homogènes et ainsi plus efficaces. Le catalyseur le plus performant a, par la suite, été couplé à un catalyseur acide, une zéolithe ZSM5, pour permettre la synthèse directe de diméthyléther (DME) à partir de l’hydrogénation de CO2. Dans le cas de la synthèse de méthanol ainsi que pour la synthèse de DME, les catalyseurs développés sont compétitifs et plus performants que les catalyseurs actuellement sur le marché. / Reducing CO2 emissions, the main greenhouse gas, is one of the major challenges of our current era. Many measures already exist but are still insufficient. It is in this context that the ANR project called DIGAS was funded. During this work, catalytic materials composed of CuO/ZnO/ZrO2 were developed by classical coprecipitation and tested under a pressure of 50 bar for the methanol synthesis from CO2 hydrogenation. Then, these catalysts were optimized using a system developed in the laboratory: microfluidic continuous synthesis. It has made the catalysts more homogeneous and thus more efficient. The most efficient catalyst was subsequently coupled to a ZSM5 zeolite to allow direct dimethyl ether (DME) synthesis from the CO2 hydrogenation. In the case of methanol as well as for DME synthesis, the developed catalysts are competitive and more efficient than the catalysts currently on the market.

Le CO2 est une source de carbone propre pour les réactions chimiques, nombreux chercheurs ont étudié l'utilisation du CO2. Les alcools supérieurs sont des additifs de carburant propres. La synthèse des alcools supérieurs à partir de l'hydrogénation du CO a également été étudiée par de nombreux chercheurs, mais il existe peu de littératures sur la synthèse des alcools supérieurs à partir de l'hydrogénation du CO2, qui est une réaction complexe et difficile. Les catalyseurs utilisés pour la synthèse des alcools supérieurs nécessitent au moins deux phases actives et une bonne synergie. Dans notre étude, nous avons étudié les catalyseurs spinelle basés sur Co. Cu. Fe et l'effet des supports (CNTs et TUD-1) et celui des promoteurs (K, Na, Cs) à la réaction de HAS. Nous avons trouvé que le catalyseur CuFe-précurseur-800 est favorable pour la synthèse d'hydrocarbures en C2+ et d'alcools supérieurs. Dans l'hydrogénation du CO2, Co agit comme catalyseur de méthanisation plutôt que comme catalyseur FT, en raison du mécanisme de réaction différent entre l'hydrogénation du CO et celle du CO2. Afin d'inhiber la formation d'hydrocarbures de quantités importante, il est préférable de choisir des catalyseurs sans Co dans la réaction d'hydrogénation du CO2. En comparant les fonctions des CNT et du TUD-1, nous avons constaté que le CNT est un support parfait pour la synthèse de produits à longue chaîne (alcools supérieurs et hydrocarbures C2+). Le support TUD-1 est plus adapté à la synthèse de produits à un seul carbone (méthane et méthanol) .L'addition d'alcalis en tant que promoteurs conduit non seulement à augmenter la conversion de CO2 et H2, mais augmente également la sélectivité des produits visés fortement, des alcools supérieurs. Le catalyseur 0.5K30CuFeCNTs possède une productivités les plus élevées (370.7 g ∙ kg-1 ∙ h-1) d'alcools supérieurs à 350 ° C et 50 bar. / CO2 is a clean carbon source for the chemical reactions, many researchers have studied the utilization of CO2. Higher alcohols are clean fuel additives. The synthesis of higher alcohols from CO hydrogenation has also been studied by many researchers, but there are few literatures about the synthesis of higher alcohols from CO2 hydrogenation, which is a complex and difficult reaction. The catalysts that used for higher alcohols synthesis need at least two active phases and goodcooperation. In our study, we tested the Co. Cu. Fe spinel-based catalysts and the effect of supports (CNTs and TUD-1) and promoters (K, Na, Cs) to the HAS reaction. We found that catalyst CuFe-precursor-800 is beneficial for the synthesis of C2+ hydrocarbons and higher alcohols. In the CO2 hydrogenation, Co acts as a methanation catalyst rather than acting as a FT catalyst, because of the different reaction mechanism between CO hydrogenation and CO2 hydrogenation. In order to inhibit the formation of huge amount of hydrocarbons, it is better to choose catalysts without Co in the CO2 hydrogenation reaction. Compared the functions of CNTs and TUD-1, we found that CNTs is a perfect support for the synthesis of long-chain products (higher alcohols and C2+ hydrocarbons). The TUD-1 support are more suitable for synthesis of single-carbon products (methane and methanol).The addition of alkalis as promoters does not only lead to increase the conversion of CO2 and H2, but also sharply increased the selectivity to the desired products, higher alcohols. The catalyst 0.5K30CuFeCNTs owns the highest productivities (370.7 g∙kg-1∙h-1) of higher alcohols at 350 °C and 50 bar.

Esta Tese descreve a preparação de novos eletrodos modificados (EMs) fazendo uso de um método novo, a deposição de partículas de metais nobres, como níquel, paládio e platina sobre partículas de metais comuns, como cobre e ferro. Este método leva aos denominados EMs mistos, que podem apresentar características diferentes e mais eficientes que os EMs Ni, Pd e Pt já estudados, sendo a principal aplicação nas reações de hidrogenação eletrocatalítica (HEC) de substratos orgânicos insaturados. A preparação dos EMs mistos se inicia pelo recobrimento da superfície do eletrodo de trabalho com um filme polimérico. O polímero usado foi o poli-(éter alílico do ácido p-benzenossulfônico), um filme aniônico com boa estabilidade química e mecânica, que pode fazer troca iônica de seus íons H+ por cátions metálicos. Este filme é preparado por varreduras de voltametria cíclica de uma solução do respectivo monômero, que se oxida eletroquimicamente iniciando a reação química de polimerização. Os metais cobre e ferro são introduzidos ao polímero pelo método de troca iônica/redução eletroquímica, onde o EM é mergulhado em uma solução saturada de um sal de cobre ou de ferro para ocorrer a troca iônica. Em seguida, estes íons são reduzidos eletroquimicamente por varreduras de voltametria cíclica, usando uma faixa de potencial adequada. Para se preparar os EMs mistos, mergulhou-se estes EMs (Cu ou Fe) na solução do banho electroless de níquel, paládio e platina. Por esta metodologia partículas destes metais nobres são depositadas pelo processo de deposição metálica electroless (DME), que faz uso de um agente redutor, hipofosfito de sódio, para reduzir os íons destes metais de forma adequada nos EMs Cu ou Fe e onde se espera obter grande área superficial. Os EMs mistos preparados foram: Cu/Ni, Cu/Pd, Cu/Pt, Fe/Ni, Fe/Pd e Fe/Pt. A caracterização dos metais dos EMs mistos foi feita indiretamente por geração eletroquímica de hidrogênio (GH) de uma solução ácida e diretamente pelas técnicas de Difração de Raios X e Microscopia de Varredura Eletrônica (MEV). O processo de deposição metálica foi investigado por medidas de potencial de circuito aberto, realizadas durante a deposição dos metais nobres que indicou a ocorrência do processo de DME em alguns casos e DG (deposição galvânica) em outros. Devido a alguns resultados do processo de deposição metálica, foi estudado o mecanismo de catalise na deposição direta das partículas de níquel, paládio e platina pela redução química por hipofosfito dos íons correspondentes. Preparou-se EMs Ni, Pd e Pt por dois métodos: troca iônica/redução eletroquímica e troca iônica/redução química catalisada pelo filme. Estes foram caracterizados por GH e utilizando o ácido p-toluenossulfônico como modelo, estudos de espectroscopia na região UV/Vis. foram realizados. Estas medidas comprovaram a catálise, pois os EMs preparados por redução química apresentaram melhores resultados para a GH e as análises de UV/Vis. mostraram a forte ligação existente entre os grupos sulfonatos do polímero e os íons metálicos bivalentes, ligação essencial para ocorrer a catálise do filme. Verificou-se que as partículas dos metais nobres podiam estar sendo depositadas por DME ou por DG seguido de DME, mas que em todos os casos ocorria a deposição causada pela catálise do filme. A reatividade dos EMs mistos foi avaliada por um estudo cinético, onde HECs de alguns substratos orgânicos foram realizadas e acompanhadas por medidas de UV/Vis. durante as reações. Obteve-se a constante de velocidade (k) destas reações, as quais foram comparadas entre si e encontrou-se como o EM misto mais eficiente o Cu/Pt. As ks das reações deste EM foram comparadas com ks de outros EMs de Pt, já estudados em nossos laboratórios. / This thesis describes the preparation of new modified electrodes (MEs) using the method of noble metal particles deposition like nickel, palladium and platinum in the surface of commum metals particles as cooper and iron. This new electrodes were denominated mixed MEs, and can show different caractheristics and present higher efficiency than others already studied, being their principal application in electrocatalytic hydrogenation (ECH) of unsaturated organic substrates. The surface electrode were coated with the polymer poly-(ether allyl p-benzenesulfonic), an anionic film with good chemical and mechanic stability that can undergoes ion exchange of ions H+ by metallic cations. This film is prepared by anodic oxidation of the monomer using voltammetric cycles, producing a cation radical initiador of a chain reaction polymerization. Cooper and iron metals are incorporated in the polymer by ion exchange/ electrochemical reduction; the ME were dipped in saturated solution of cooper or iron salt to produce the ion exchange. The ions are then electrochemically reduced. The preparation of mixed MEs is carried out by electrolessly deposidated Ni, Pd or Pt. This methodology use NaH2PO2, to reduce the metal ions. This procedure deposits Ni, Pd and Pt in the surface of Cu or Fe MEs with an expected higher superficial area. The mixed Cu/Ni, Cu/Pd, Cu/Pt, Fe/Ni, Fe/Pd e Fe/Pt MEs were prepared. The characterization of the MEs metals was made indirectly by electrochemically hydrogen generation from an acid solution (HG) and directly by SEM-EDX and Ray X Diffraction analysis. The metallic deposition process was investigated by open circuit during the deposition of nobles metals that indicate the occurrence of electroless deposition (EMD) process in some cases or spontaneous displacement reaction (galvanic deposition - GD) in others. Despite the two mechanisms related above, a catalytic process would occur. To rut in evidence this third process Ni, Pd and Pt MEs were prepared by two methods: ion exchange/electrochemical reduction and ion exchange/chemical reduction catalyzed by the film. The resulting MEs were characterized by HG and spectroscopy in the UV/Vis. For this last analysis, p-toluenossulfonic acid was used as model and the results proved the catalytic mechanism. UV spectroscopy analysis showed strong bonds between the p-toluenossulfonic and the noble metal salts. So particles of noble metals can be deposited not only by EMD or GD but in all cases occur the deposition by film catalysis too. The reactivity of mixed MEs was done by kinetic study, where ECH of some organic substrates were carried out and monitored by UV/Vis spectroscopy. The constant rate (k) of the reactions was calculated and compared with the others mixed MEs. The ks of this ME were compared with the ks of other Pt MEs, already studied. The more reactive of them was the Cu/Pt ME.

A modelagem e simulação de reatores trifásicos representa um grande desafio para simuladores de processo. Muitos estudos acadêmicos têm sido desenvolvidos com o objetivo de descrever e prever o comportamento desses equipamentos, quer seja em seu estado estacionário, quer seja as respostas dinâmicas. Várias são as abordagens aplicadas para tentar melhor refletir os fenômenos envolvidos nos reatores trifásicos, ponderando sempre o custo computacional de cada abordagem. Neste trabalho, um reator de hidrogenação seletiva de nafta de pirólise foi simulado baseado em dados publicados na literatura. O reator é do tipo leito gotejante (trifásico), e as reações consideradas são de pseudo-primeira ordem. A técnica aplicada foi a de modelagem matemática por células, onde os leitos catalíticos foram subdivididos em reatores tipo CSTR dinâmicos associados em série. A cada célula, um cálculo de flash foi associado, aperfeiçoando os balanços de massa e energia comumente empregados em reatores de leito gotejante. A abordagem termodinâmica utilizada para prever o equilíbrio líquido-vapor foi a i - i, com a equação de estado SRK associada a parâmetros de interação binária específicos para a solubilidade de hidrogênio em gasolina de pirólise. Os parâmetros de interação binária são provenientes do pacote termodinâmico do simulador iiSE. O modelo do reator foi implementado no software EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization) consistindo em cerca de 9000 equações e variáveis. Os resultados obtidos com o modelo contruído foram similares aos reportados na literatura. A aplicação de modelagem por células mostrou-se não só aplicável mas também mais robusta do que as abordagens tradicionais que utilizam equações diferenciais ordinárias. A utilização da ferramenta EMSO para a modelagem por células mostrou-se ainda mais vantajosa ao permitir a avaliação do comportamento dinâmico do reator em algumas situações hipotéticas, mas que são bem comuns na indústria. / Modeling and simulation of three-phase reactors is a challenge for process simulators. Many academic studies have been developed in order to describe and predict the behavior of these equipments for both steady states or dynamic responses. There are several approaches applied trying to reflect better the phenomena involved in three-phase reactors, always considering the computational cost of each approach. In this work a selective hydrogenation reactor for pyrolysis naphtha was simulated based on published literature data.The reactor is trickle bed type and the reactions are considered pseudofirst order. The technique used is cell-network modeling, where the catalyst beds were subdivided into dynamics CSTR reactors linked in series. To each cell there is a calculation Flash associated, enhancing mass and energy balances commonly applied in TBR. The thermodynamic approach used to predict the vapor-liquid equilibrium was i- i with SRK equation of state, associated to specific binary interaction parameters for the solubility of hydrogen in pygas from the thermodynamic simulator package iiSE. The binary interaction parameters come from the thermodynamic package of IISE simulator. The reactor model was implemented in software EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization) and consists of 9,000 equations and variables approximately. The results obtained with the model constructed here were similar to those reported in the literature. The use of cell-network modeling proved to be not only applicable but also more robust than the traditional approaches that use ordinary differential equations. The use of EMSO tool for cell-network modeling proved to be even more advantageous because allows the evaluation of some dynamic behavior of the reactor for hypothetical situations but quite common in the industry.