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Previous issue date: 2010-08-31 / In this work, a methodology for the synthesis of silica-cobalt oxide-based composites was developed by modifying the well known Stöber sol-gel method. The main novelty of the procedure was the use of colloidal suspensions of cobalt oxide or cobalt hydroxide nanoparticles (Co3O4,Co(OH)2), which were previously prepared from the precipitation of Co2+ ions in alkaline medium. The silica-cobalt composites having cobalt contents (w/w) around 8.4 to 11% were characterized by X-ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric and differential thermal analysis (TG/DTA), temperature programmed reduction (TPR) and adsorption /desorption of nitrogen. The characteristics of the composites which were prepared by employing the colloidal suspensions were compared to those exhibited by other composites which were obtained from cobalt nitrate solution. The influence of cerium nitrate and citric acid was also evaluated. The methodology employed in the synthesis of nanoparticles and composites were reproducible and the prepared materials showed surface areas (300 to 567 cm3/g) and pore diameters (3.8 to 8.1 nm) values which were considered appropriate to use them as catalysts. The calcined composites which were prepared using colloidal suspensions of Co3O4 nanoparticles showed TPR curves with maximum picks at relatively low temperatures, in the range of 275 to 520 oC, suggesting the existence of weak silica-cobalt interactions. The average diameter of Co3O4 crystallites varied from 22 to 30 nm. However, the use of citric acid as a pore-forming agent in the sol-gel synthesis led to composites with enhanced silica-cobalt interactions as a result of the dissolution of the cobalt oxide particles and formation of cobalt silicate. The incorporation of cerium nitrate in the sol-gel mixture did not modify the textural properties of the composites but the reduction of cobalt oxide to metallic cobalt was retarded. The composite which was obtained from the cobalt hydroxide, β-Co(OH)2, colloidal suspension showed weak silica-cobalt interactions as well as intermediate ones, the average diameter of Co3O4 crystallites being 12 nm. Differently from the composites obtained from colloidal suspensions, those which were synthesized using a cobalt nitrate aqueous solution presented mainly cobalt silicate and a low quantity of Co3O4 particles of 11 and 17 nm. The TPR curves of these composites indicated very strong silica-cobalt interactions, as expected. The composites were evaluated as catalysts in the reduction reaction of NO to N2 with the oxidation of CO to CO2. The composites which were prepared from Co3O4 colloidal suspensions without the use of citric acid as pore-forming agent showed maximum conversions as high as 90% for both NO to N2 and CO to CO2, at temperatures above 600°C. On the other hand, the composite prepared using critic acid showed much lower conversions (60 %) at the same temperature. / Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia de síntese de compósitos de óxido de cobalto e sílica a partir de adaptações no método sol-gel do tipo Stöber. A principal novidade do procedimento consistiu na utilização de suspensões coloidais de nanopartículas de óxido ou hidróxido de cobalto (Co3O4, Co(OH)2), as quais foram previamente preparadas por precipitação de íons Co2+ em meio alcalino. Os compósitos de sílica-cobalto contendo teores de cobalto entre 8,4 e 11% (m/m) foram caracterizados por espectroscopia de absorção atômica (AA), difratometria de raios-X (DRX), espectroscopia na região do infravermelho médio com transformada de Fourier (FTIR), análise termogravimétria e térmica diferencial (TG/DTA), redução a temperatura programada (TPR) e adsorção/dessorção de nitrogênio. As características dos compósitos preparados empregando-se suspensões de nanopartículas foram comparadas com as de outros compósitos obtidos a partir de solução de nitrato de cobalto, sendo também avaliada a influência da adição de nitrato de cério e de ácido cítrico.
A metodologia desenvolvida mostrou-se reprodutível e os materiais obtidos apresentaram valores adequados de área superficial (300 a 567 cm3/g) e diâmetro de poros (3,8 a 8,1 nm) para serem utilizados como catalisadores. Os compósitos preparados utilizando-se suspensões coloidais de nanopartículas de Co3O4 apresentaram, após calcinação, curvas de redução termoprogramada cujos picos máximos ocorreram em temperaturas relativamente baixas, na faixa de 275 a 520 oC, sugerindo a existência de interações fracas entre a sílica e o cobalto. O diâmetro médio dos cristalitos de Co3O4 nesses compósitos variou entre 22 e 30 nm. No entanto, a utilização de ácido cítrico como agente formador de porosidade na síntese desses compósitos provocou o aumento da interação sílica-cobalto, como resultado da dissolução das partículas de óxido de cobalto e formação de silicato de cobalto. A utilização de nitrato de cério nas sínteses não alterou as propriedades texturais dos compósitos, mas, como esperado, dificultou a redução do óxido de cobalto para cobalto metálico. O compósito obtido a partir de suspensão coloidal de hidróxido de cobalto, -Co(OH)2, por sua vez, apresentou tanto interações sílica-cobalto fracas como intermediárias, sendo de 12 nm o diâmetro médio dos cristalitos de Co3O4, após calcinação do material. Diferentemente dos compósitos preparados a partir das suspensões coloidais do óxido de cobalto, os compósitos que foram sintetizados utilizando-se solução de nitrato de cobalto mostraram, após calcinação, a presença silicato de cobalto e pequena quantidade de partículas de Co3O4 de diâmetros entre 11 e 17 nm. As curvas de TPR desses compósitos indicaram, como esperado, interações sílica-cobalto fortes. Os compósitos foram avaliados na reação de redução do NO em N2 com oxidação do CO a CO2. Para os compósitos em que foram utilizadas nanopartículas de Co3O4 previamente preparadas, na ausência de ácido cítrico, houve conversões máximas de até 90% do NO em N2 e do CO em CO2.. Isso ocorreu em temperaturas superiores a 600 °C. Por outro lado, a utilização do ácido cítrico concomitantemente à incorporação das nanopartículas de Co3O4, conduziu a taxas de conversões inferiores a 60%, em temperaturas superiores a 600 °C.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.bc.ufg.br:tde/1039 |
| Date | 31 August 2010 |
| Creators | SANTOS, Gustavo Amorim |
| Contributors | SARTORATTO, Patrícia Pommé Confessori |
| Publisher | Universidade Federal de Goiás, Mestrado em Química, UFG, BR, Educação em Química |
| 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 da UFG, instname:Universidade Federal de Goiás, instacron:UFG |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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