Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

English

Ciência

Estrutura e Atividade Catalítica de Nanopartículas de Cobre

VOLTAR

Pesquisa investiga o efeito da adição de ceria na atividade de catalisadores para a reação de deslocamento gás-água


Catalisadores são substâncias que promovem e aceleram reações químicas sem serem consumidos durante o processo e são amplamente empregados em processos industriais na produção de diversos produtos químicos.

Em especial, catalisadores baseados em nanopartículas de cobre dispersados em um suporte de óxido beneficiam diversas reações, como a síntese de metanol, a desidrogenação de álcoois, ou a reação de deslocamento gás-água (water gas shift ou WGS) que é uma das principais reações para produção de hidrogênio em escala industrial. Nela, monóxido de carbono reage com vapor de água produzindo gás carbônico ($\rm CO_2$) e hidrogênio ($\rm H_2$).

A atividade dos catalisadores nessas reações é sensível tanto à morfologia das nanopartículas do metal quanto a suas interações com o suporte. Por isso, Paula C. P. Caldas, da Universidade Federal de São Carlos, e colaboradores [1] utilizaram as instalações do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) para investigar como a atividade catalítica e as propriedades dos sítios ativos na superfície de nanopartículas de cobre pode ser modificada por seu tamanho de sua interação com ceria $(\rm Ce O_2)$.

Figura 1: Correlação entre o comprimento de ligação $\rm Cu\, — O$ e a frequência de rotação do catalisador (TOF) para os catalisadores analisados nas condições de WGS com diferentes proporções de cobre e ceria.

Neste estudo, os pesquisadores utilizaram a reação WGS como modelo para a análise da atividade dos catalisadores de cobre, suportados em $\rm \gamma-Al_2 O_3$, com diferentes proporções do metal. Os experimentos incluíram análises de absorção de raios X (XANES e EXAFS) executadas na linha de luz XAFS1 do LNLS.

O grupo observou que quanto maior o tamanho das nanopartículas de cobre, maior é o comprimento de ligação entre os átomos de cobre e de oxigênio ($\rm Cu\, — O$) no catalisador e, consequentemente, maior é sua atividade catalítica. Isso acontece porque um maior comprimento de ligação corresponde a uma menor energia de ligação entre os átomos, o que leva a uma maior densidade eletrônica do cobre na superfície do catalisador e a uma maior reatividade do oxigênio. Dessa forma, há um aumento na taxa de reações intermediárias do processo WGS.

Ainda, ceria foi adicionado em diferentes proporções ao catalisador de cobre, o que também proporcionou um aumento no comprimento de ligação $\rm Cu\, — O$ sem aumento no tamanho das nanopartículas. Por exemplo, para o catalisador contendo $10 wt \%$ de cobre ($\rm 10Cu$), o comprimento de ligação aumentou de $1,890 \pm 0,02$ Å para $1,941 \pm 0,012$ Å com a adição de $4 wt \%$ de ceria ($\rm 4Ce 10Cu$). A correlação entre o comprimento de ligação $\rm Cu\, — O$ e a frequência de rotação do catalisador (TOF) para os catalisadores analisados nas condições de WGS com diferentes proporções de cobre e ceria é mostrada na Figura 1.

Os resultados experimentais apresentados pelos pesquisadores indicam que a adição de ceria ajusta o comprimento de ligação $\rm Cu\, — O$, que é determinante para a taxa de reações do processo WGS, e demonstram que a estrutura fina dos sítios ativos na interface das nanopartículas deve ser determinado para o entendimento dos efeitos do tamanho das nanopartículas e do suporte na atividade dos catalisadores usados nesse tipo de reação.

Fonte: [1] Paula C. P. Caldas, Jean Marcel R. Gallo, Alejandro Lopez-Castillo, Daniela Zanchet, and José Maria C. Bueno. The Structure of the Cu–CuO Sites Determines the Catalytic Activity of Cu Nanoparticles. ACS Catal., 2017, 7 (4), pp 2419–2424. DOI: 10.1021/acscatal.6b03642