Um método de preparação aprimorado para um CuO/CeO2

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9345 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

Neste estudo, apresentamos um método para revestir monólitos diretamente com um catalisador CeO2/CuO usando o método de combustão uréia-nitrato. O catalisador foi caracterizado por meio de medições XRD, SEM/EDX e EPR. Os resultados experimentais são descritos, quando este catalisador foi usado para a oxidação preferencial de CO. A atividade catalítica para a reação CO-PrOx foi medida registrando a conversão de CO como uma função da temperatura de reação em uma mistura gasosa rica em hidrogênio na presença e ausência de vapor de água. Em um teste de longo prazo de mais de 310 h, a estabilidade de longo prazo do catalisador foi demonstrada. O revestimento direto mostrou ser uma abordagem promissora pela qual uma quantidade maior de catalisador pode ser depositada no monólito em uma única etapa do que seria possível com washcoats.

Para a operação de uma célula de combustível de membrana de eletrólito de polímero (PEFC), um gás combustível rico em hidrogênio é gerado a partir de vetores de energia portadores de hidrogênio líquido (por exemplo, diesel, querosene ou metanol) pela tecnologia de processamento de combustível. A primeira etapa do processamento do combustível é a reforma, frequentemente seguida pela reação de deslocamento água-gás (WGS)1.

Este último tem a função de diminuir a concentração de CO no gás produto de reforma de aproximadamente 8 a 10 vol.% para menos de 1 vol.%. Além disso, o produto gasoso de um reator WGS normalmente contém cerca de 35% em volume de H2, 16% em volume de CO2, 20% em volume de H2O, 0,5% em volume de Ar e algumas centenas a alguns milhares de ppm de metano, bem como como outros vestígios de hidrocarbonetos superiores2,3,4,5, o saldo a 100% é nitrogênio. No entanto, para a operação de um PEFC, a concentração de CO deve ser reduzida ainda mais para valores < 100 ppm1,6. Isso geralmente é realizado por meio de um reator CO-PrOx (oxidação preferencial). Prevê-se a utilização de um suporte monolítico revestido com um catalisador livre de metais nobres em um futuro reator PrOx de duplo estágio termicamente integrado.

Para a escolha do sistema catalisador, o foco foi na cadeia de processo técnico de um sistema de processamento de combustível conforme descrito por Samsun et al.4. O reator CO-PrOx deve se encaixar perfeitamente no sistema. A temperatura de projeto na entrada de um reator PrOx deve, portanto, ser baseada na temperatura de saída do reator WGS na faixa de 200–300 °C. Com base em um grande número de resultados promissores publicados7,8,9,10,11,12,13,14,15,16, o sistema catalisador CuO/CeO2 foi escolhido para cumprir esta tarefa. A seguir, relatamos uma síntese direcionada desse catalisador em um suporte monólito usando o método de combustão de uréia-nitrato.

Com base no trabalho de Avgouropoulos et al.9 em particular, bem como Barbatos et al.11 e Landi et al.14,16, monólitos cerâmicos feitos de cordierita com uma estrutura de favo de mel de 400 cpsi (Paul Rauschert GmbH & Co. KG , Alemanha) foram revestidos com o óxido misto CuO/CeO2. Os monólitos tinham 70 mm de comprimento e 12 mm de diâmetro, resultando em um volume de 7,9 cm3.

No entanto, nenhum washcoat do óxido pré-sintetizado foi usado para revestir os monólitos cerâmicos com o catalisador como havia sido feito anteriormente. Em vez disso, a solução precursora para o óxido misto CuO/CeO2 (razão molar Cu/(Cu + Ce) de 0,15) documentada por Avgouropoulos et al.9 foi sintetizada e os monólitos foram mergulhados uma vez (monólito #1) ou duas vezes (monólito # 2) nesta solução viscosa. Os monólitos revestidos com a solução precursora foram então calcinados a 450 °C, durante os quais o catalisador se formou diretamente na superfície dos monólitos. Em comparação com os washcoats, o uso de uma solução precursora viscosa oferece a vantagem de uma adesão mais íntima ao suporte, enquanto os métodos clássicos de preparação, como a precipitação, são difíceis de realizar para a obtenção de revestimentos catalíticos homogêneos. Além disso, um pó foi preparado a partir da solução precursora da mesma maneira para fins de caracterização de materiais. Após revestimento único e calcinação, a quantidade aplicada de material catalisador foi de 446 mg no caso do monólito #1. No caso do monólito nº 2, foi realizado um revestimento duplo, produzindo um revestimento de catalisador de cerca de 768 mg.