Estudo computacional da conversão de metano em novos produtos utilizando catalisadores com base em óxido de cério

• Processo: 21/03357-3
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de setembro de 2021
• Data de Término da vigência: 30 de setembro de 2025
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Juarez Lopes Ferreira da Silva
• Beneficiário: Carina de Souza Teixeira Peraça
• Instituição Sede: Instituto de Química de São Carlos (IQSC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Empresa: Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Química de São Carlos (IQSC)
• Vinculado ao auxílio: 17/11631-2 - CINE: desenvolvimento computacional de materiais utilizando simulações atomísticas, meso-escala, multi-física e inteligência artificial para aplicações energéticas, AP.PCPE
• Assunto(s): Simulação por computador Metano Catalisadores Nanoclusters Óxido de cério Simulação de dinâmica molecular Dopagem anódica Metanol
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: catálise | Dft (Vasp) | Dinâmica Molecular (LAMMPS) | Metano | metanol | Óxido de Cério | Simulação Computacional

Resumo

A crescente demanda por recursos energéticos no planeta, impulsiona a busca por novas fontes de energias renováveis, que substituam os insumos originários de combustíveis fósseis. O uso do gás natural na produção de energia surge como solução para esta questão, em um cenário de transição do uso de energias não-renováveis para energias renováveis. A exemplo de produção de energia limpa, podemos citar a conversão do gás metano (CH4), principal componente do gás natural, em novos produtos como o metanol (CH3OH), que serve como matéria prima para diferentes insumos. Contudo, o processo catalítico que envolve esta conversão torna-se um grande desafio para o ramo da físico-química, dada a alta estabilidade da molécula de metano que conduz à dificuldades na ativação da ligação C-H. Com isso, a busca por materiais cujas propriedades catalíticas permitam a atuação na ativação da molécula de CH4, vem se intensificando nos últimos anos. Neste contexto, o Óxido de Cério (CeO2), destaca-se como bom candidato à catalisador. Dentre as diversas razões para o uso deste material está o ciclo redox reversível, que possibilita o armazenamento de oxigênio em sua superfície. Por este motivo, a conversão do metano em outros produtos via catalisadores a base de CeO2, pode ser controlada por alterações na morfologia do material, através da criação de vacâncias, da dopagem substitucional com metais de transição ou adição de nanopartículas metálicas sobre a superfície do óxido. Uma grande quantidade de estudos teóricos dizem respeito a deformações em superfícies estáveis de CeO2, elucidando a desidrogenação completa da molécula de CH4. Porém, os efeitos causados por variações no tamanho do catalisador sob a configuração de nanocluster, o controle da desidrogenação e a formação de um radical metil que resulte na obtenção de metanol, são pouco evidenciados na literatura. Desta forma, o presente projeto propõe um estudo computacional, com base em cálculos de primeiros princípios e de dinâmica molecular, da conversão de gás metano em novos produtos. Para tanto, investigaremos o uso de nanoclusters compostos por óxido de cério, atuando como catalisadores, onde exploraremos os efeitos causados por dopagem substitucional, ancoragem de partículas metálicas e formação de vacâncias na superfície do material. (AU)

Publicações científicas

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

PERAC, CARINA S. T.; ANDRIANI, KARLA F.; PIOTROWSKI, MAURICIO J.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Ab Initio Investigation of CH4 Dehydrogenation on a (CeO2)(10) Cluster. Journal of Physical Chemistry C, v. N/A, p. 12-pg., 2022-07-15. (19/05561-7, 17/11631-2, 21/03357-3, 18/21401-7, 18/11152-0)

MORAES, PEDRO IVO R.; PERACA, CARINA S. T.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Single-atom catalysts on ceria substrates: Exploring cluster and surface effects on methane activation. MOLECULAR CATALYSIS, v. 564, p. 10-pg., 2024-06-24. (21/03357-3, 23/12824-0)