Avaliação de catalisadores suportados em nanotubos de carbono e modelagem cinética do processo para a reação Water-Gas Shift (WGS): abordagens macro e microcinéticas e uso de técnicas de machine learning para seleção de catalisadores.

Autor(es)

Fábio Machado Cavalcanti

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Paulo.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola Politécnica (EP/BC)
• Data de defesa: 2023-12-20

Membros da banca

Rita Maria de Brito Alves; Robson Pablo Sobradiel Peguin; José Carlos Costa da Silva Pinto; Joris Thybaut; Fabio Souza Toniolo

• Orientador: Reinaldo Giudici; Rita Maria de Brito Alves

Resumo

A reação Water-Gas Shift (WGS) é uma das rotas mais importantes para a produção de hidrogênio. Ela tem recebido grande importância devido ao uso do H2 nas principais indústrias químicas e como principal fonte de energia limpa no futuro. Embora já existam catalisadores industriais bem estabelecidos para a reação WGS, vários novos foram desenvolvidos para melhorar o desempenho e a estabilidade do processo com metais nobres em nanoescala suportados em óxidos. Para auxiliar com esses numerosos catalisadores, Redes Neurais Artificiais (RNAs) foram utilizadas para construir um modelo baseado em dados catalíticos da literatura. Neste contexto, foi desenvolvido um novo catalisador: nanopartículas de Co/CeO2- Sr suportadas em Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas. O uso do Co resultou em alta atividade e tolerância ao enxofre, enquanto CeO2 possui alta capacidade de armazenamento de oxigênio devido à sua redutibilidade, e o Sr atua como promotor. O uso de nanotubos de carbono como suporte tem se mostrado vantajoso devido à sua elevada área superficial, propriedades condutoras e baixa disponibilidade de alguns óxidos. A atividade catalítica foi avaliada em uma faixa de temperatura industrialmente relevante sob pressão atmosférica, apresentando melhores desempenhos em temperaturas mais altas (300-450oC), e alcançando conversões de CO próximas do equilíbrio. Além disso, dados cinéticos foram coletados variando-se as concentrações das espécies. Modelos de lei de potência, de etapa determinante de reação, e os microcinéticos foram ajustados a eles, para discriminar a melhor formulação para compreender completamente a reação em estudo. O mecanismo redox foi identificado como o mais adequado e permitiu explicar o papel do catalisador durante a reação WGS, proporcionando ciclos de oxidação e redução a partir da disponibilidade e mobilidade de espécies O* em sua superfície. Todo este trabalho é um material de consultoria robusto para auxiliar nos planejamentos futuros de catalisadores e otimização para projetos de reatores industriais. (AU)

• Processo FAPESP: 17/11940-5 - Avaliação de catalisadores suportados em nanotubos de carbono e modelagem cinética do processo para a reação de Water-Gas-Shift (WGS)
• Beneficiário: Fábio Machado Cavalcanti
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado