O molibdênio é conhecido por seu efeito sinérgico na síntese de
nanotubos de carbono (NCs) por deposição química da fase vapor (método CVD).
Quando adicionado a catalisadores típicos como ferro, níquel e cobalto, mesmo em
pequenas quantidades, ele tem a capacidade de aumentar o rendimento da obtenção
dessas nanoestruturas. A presença do Mo tem influência também no tipo e número de
paredes dos NCs formados. Embora o efeito seja amplamente documentado na
literatura, ainda não se tem um consenso sobre como o molibdênio atua nos sistemas
catalisadores.
Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo estudar a influência do
molibdênio na atividade catalítica de catalisadores à base de nanopartículas de ferro
suportadas em óxido de magnésio (sistema Fe/MgO) na síntese de nanotubos de
carbono pelo método CVD. A concentração de Mo foi sistematicamente variada desde
valores nulos até razões molares quatro vezes maiores do que a quantidade de Fe e os
materiais obtidos (catalisadores e nanotubos de carbono), amplamente caracterizados
por diferentes técnicas. Os sistemas catalisadores (Fe/MgO e FeMox/MgO) foram
sintetizados por dois métodos diferentes: co-precipitação e impregnação, a fim de se
estudar também a influência do método de preparação na composição final de fases dos
sistemas catalisadores.
Os maiores rendimentos de NCs foram observados para os catalisadores
preparados via co-precipitação. A diferença foi atribuída à melhor dispersão das fases
de Fe e Mo na matriz cerâmica dos catalisadores. Foi verificado que na etapa de
precipitação ocorre a formação de hidróxidos duplos lamelares, cuja concentração
aumenta com o teor de Mo até a razão Mo/Fe igual a 0,2. Esta fase está relacionada com
uma melhor distribuição de Fe e Mo nesta faixa de concentrações. Outra característica
importante observada é que a matriz cerâmica não é inerte, ou seja, ela é capaz de reagir
tanto com o Fe quanto com o Mo, formando solução sólida de ferro no óxido de
magnésio (Mg1-xFexO) e as fases ferrita de magnésio (MgFe2O4) e molibdato de
magnésio (MgMoO4). A fase MgFe2O4 é observada em todos os sistemas catalisadores,
enquanto a fase MgMoO4 somente é observada para os sistemas com razões Mo/Fe
maiores do que 0,2.
Apesar das diferenças entre os dois métodos de preparação, a influência do
molibdênio foi praticamente a mesma nas duas séries de catalisadores estudadas. Em ambos os casos, observou-se que quanto maior a concentração de molibdênio, maior o
rendimento da reação. Quando a concentração de Mo, entretanto, é muito maior do que
a concentração de Fe, o rendimento da síntese de NCs diminui. Assim, os maiores
rendimentos foram encontrados para a razão Mo/Fe igual a 1. É proposto que quando o
molibdênio está presente em excesso, há formação de grandes aglomerados de Mo
metálico que não catalisam a síntese dos NCs por CVD. Observou-se também que a
presença do molibdênio leva à formação de estruturas de carbono de várias paredes
(nanotubos de paredes múltiplas MWNT e estruturas do tipo bamboo-like),
enquanto o ferro promove a formação preferencial de nanotubos de uma SWNT ou
poucas paredes. Além de nanoestruturas de carbono e do MgO, foi verificada a
formação de carbeto de ferro (Fe3C) e de carbeto de molibdênio (Mo2C) (nos
catalisadores contendo Mo) em todas as amostras crescidas por CVD, sendo que a
quantidade de Mo2C aumentou com o aumento do teor de Mo no catalisador.
De acordo com os resultados obtidos e com base em dados da literatura, foi
proposto que a atuação do Mo nos catalisadores estudados na síntese de nanotubos de
carbono a partir de etileno e nas condições utilizadas neste trabalho ocorre em dois
regimes distintos: 1) Sistemas catalisadores contendo somente Fe ou pequenas
concentrações de Mo (Mo/Fe = 0; 0,02; 0,05 e 0,10): neste regime, parte das espécies
contendo Mo associa-se às fases de Fe presentes nos catalisadores. Durante a
decomposição do etileno, partículas de Fe associadas a Mo metálico ou ao carbeto de
Mo são formadas. Essa associação leva à formação de NCs com mais paredes e maior
grau de defeito. As partículas de ferro provenientes da fase ferrita de magnésio ou da
solução sólida de Fe em Mg leva à formação de SWNTs e NCs de poucas paredes
apenas; 2) Sistemas catalisadores contendo maiores concentrações de Mo (Mo/Fe =
0,20; 0,50 e 1,00 e 4,00): neste regime dois sítios catalíticos participam da formação de
NCs. No primeiro sítio, nanopartículas de Fe provenientes da fase magnésio-ferrita e da
solução sólida de ferro em magnésio catalisam a síntese de SWNTs ou NCs de poucas
paredes. Já no segundo sítio, nanopartículas de Mo (provenientes da fase molibdato de
magnésio), associadas ou não à nanopartículas de Fe, catalisam a formação de MWNTs
e outras estruturas contendo multicamadas grafíticas. / Molybdenum is known for its synergistic effect in the synthesis of carbon nanotubes
(CNs) by chemical vapor deposition (CVD method). When added to typical catalysts
like iron, nickel, and cobalt, even in small quantities, it is increases the yield of these
nanostructures. The presence of Mo also has an influence on the type and number of CN
walls formed. Although this effect is widely documented in the literature, there is not
yet a consensus about the mechanism of action of molybdenum in catalytic systems.
The objective of the present work is to study the influence of molybdenum on the
catalytic activity of iron nanoparticle-based catalysts supported on magnesium oxide
(Fe/MgO system) in the synthesis of carbon nanotubes by the CVD method. The Mo
concentration was systematically varied from null to molar ratio values four times
greater than the quantity of Fe, and the obtained material (catalysts and carbon
nanotubes) were broadly characterized by different techniques. In order to also study the
influence of the preparation method on the final composition of the catalytic system
phases, the catalytic systems (Fe/MgO e FeMox/MgO) were synthesized by two
different methods: co-precipitation and impregnation.
The greatest CN yields were observed for the catalysts prepared by coprecipitation.
The difference was attributed to better dispersion of the Fe and Mo phases
in the catalyst ceramic matrix. In the precipitation stage, it was observed the formation
of layered double hydroxides whose concentration increased with the Mo content up to
the ratio of Mo/Fe equal to 0.2. This phase is related to a better distribution of Fe and
Mo in this concentration range. Another important characteristic observed is that the
ceramic matrix is not inert. It can react both with Fe and Mo and form the iron solid
solution in the magnesium oxide and the phases magnesium-ferrite (MgFe2O4) and
magnesium molybdate (MgMoO4). The MgFe2O4 phase is observed in all catalytic
systems, while the MgMoO4 phase is observed in systems with Mo/Fe ratios greater
than 0.2.
In spite of the differences between the two methods of preparation, the influence
of molybdenum is practically the same in the two series of catalysts studied. In both
cases, the reaction yield was directly proportional to the molybdenum concentration.
When the Mo concentration, however, was much higher than the Fe concentration, the
CN synthesis yield decreased. The highest yields, therefore, were found when the
Mo/Fe ratio was equal to 1. We propose that excess molybdenum leads to the formation of Mo metallic agglomerates that do not catalyze the CN synthesis by chemical vapor
deposition. We also observed that the presence of molybdenum brought about the
formation of multi-walled carbon structures (multi-walled nanotubes MWNT and
bamboo-like structures), while iron promoted the preferential formation of nanotubes
with one SWNT or few walls. Besides carbon and MgO nanostructures, iron carbide
(Fe3C) and molybdenum carbide (Mo2C) (catalysts containing Mo) were also formed in
all of the samples grown with CVD, and the quantity of Mo2C increased with the
increase in the Mo content in the catalyst.
Based on the results obtained and the literature, two distinct regimes of action of
Mo in the studied catalysts on the CVD carbon nanotubes synthesis from ethylene are
proposed, when carried out in the conditions used in this work: 1) catalytic systems
containing only Fe or small concentrations of Mo (Mo/Fe = 0, 0.02, 0.05, and 0.10). In
this system, part of the Mo-containing species associate with the Fe phases present in
the catalysts. During the decomposition of ethylene, Fe associates in particles with
metallic Mo or Mo carbide. This association brings about the formation of MWNTs and
carbon nanostructures with a higher degree of defects. The iron particles from the
magnesium-ferrite phase or from the Fe solid solution in Mg bring about the formation
of SWNTs and CNs with only a few walls. 2) Catalytic systems containing larger
concentrations of Mo (Mo/Fe = 0.20, 0.50 and 1.00, and 4.00). In this system, two
catalytic sites participate in the formation of CNs. In the first site, Fe nanoparticles from
the magnesium-ferrite phase and the iron solid solution in Mg catalyze the synthesis of
SWNTs or CNs with few walls. In the second site, Mo nanoparticles (from the
magnesium molybdate phase), whether associated or not with Fe nanoparticles, catalyze
the formation of MWNTs and other structures containing graphite multilayers.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:bdtd.cdtn.br:88 |
| Date | 26 February 2010 |
| Creators | Ana Paula de Carvalho Teixeira |
| Contributors | Adelina Pinheiro Santos, Luiz Orlando Ladeira, José Domingos Ardisson |
| Publisher | CNEN - Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, Belo Horizonte, CTMA - Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia das Radiações, Minerais e Materiais, CDTN, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do CDTN, instname:Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, instacron:CDTN |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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