Hetero-atom Doped Carbon Nanotubes for Dye Degradation and Oxygen Reduction Reaction

We report the synthesis of nitrogen doped vertically aligned multi-walled (MWNCNTs) carbon nanotubes by pyrolysis and its catalytic performance for degradation of methylene blue (MB) dye & oxygen reduction reaction (ORR). The degradation of MB was monitored spectrophotometrically with time. Kinetic studies show the degradation of MB follows a first order kinetic with rate constant k=0.0178 min(-1). The present rate constant is better than that reported for various supported/non-supported semiconducting nanomaterials. Further ORR performance in alkaline media makes MWNCNTs a promising cost-effective, fuel crossover tolerance, metal-free, eco-friendly cathode catalyst for direct alcohol fuel cell.

Molecular Cage Impregnated Palladium Nanoparticles: Efficient, Additive-Free Heterogeneous Catalysts for Cyanation of Aryl Halides

Two shape-persistent covalent cages (CC1(r) and CC2(r)) have been devised from triphenyl amine-based trialdehydes and cyclohexane diamine building blocks utilizing the dynamic imine chemistry followed by imine bond reduction. The cage compounds have been characterized by several spectroscopic techniques which suggest that CC1(r) and CC2(r) are 2+3] and 8+12] self-assembled architectures, respectively. These state-of-the-art molecules have a porous interior and stable aromatic backbone with multiple palladium binding sites to engineer the controlled synthesis and stabilization of ultrafine palladium nanoparticles (PdNPs). As-synthesized cage-embedded PdNPs have been characterized by transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), and powder X-ray diffraction (PXRD). Inductively coupled plasma optical emission spectrometry reveals that Pd@CC1(r) and Pd@CC2(r) have 40 and 25 wt% palladium loading, respectively. On the basis of TEM analysis, it has been estimated that as small as similar to 1.8 nm PdNPs could be stabilized inside the CC1(r), while larger CC2(r) could stabilize similar to 3.7 nm NPs. In contrast, reduction of palladium salts in the absence of the cages form structure less agglomerates. The well-dispersed cage-embedded NPs exhibit efficient catalytic performance in the cyanation of aryl halides under heterogeneous, additive-free condition. Moreover, these materials have excellent stability and recyclability without any agglomeration of PdNPs after several cycles.

Conversão do metanol em olefinas catalisada por zeólitas com diferentes características ácidas e estruturais

A reação de transformação de metanol em olefinas leves foi investigada sobre as peneiras moleculares HZSM-5, HFER, SAPO-34 e HMCM-22. A caracterização físico-química das amostras foi realizada através das técnicas de FRX, DRX, fisissorção de nitrogênio, MEV, espectrometria no IV com adsorção de piridina e TPD de NH3. O desempenho catalítico das mesmas foi comparado em condições de isoconversão inicial de 755%. Verificou-se que as características ácidas e estruturais exerceram forte influência sobre o desempenho catalítico quanto à atividade, estabilidade e seletividade aos produtos da reação. A amostra mais estável foi a HZSM-5 que apresentou maior densidade de sítios fortes e uma estrutura porosa que permite uma circulação tridimensional das moléculas. Já a menos estável, SAPO-34, apresentou a menor concentração de sítios ácidos fortes dentre os materiais estudados e uma estrutura com cavidades com aberturas estreitas (4Å) que oferecem restrições ao acesso dos reagentes aos sítios ácidos do catalisador. Quanto à seletividade a olefinas, a primeira foi mais seletiva a propeno e a segunda, a eteno. A ferrierita não se mostrou seletiva às olefinas leves tendo apresentado, no entanto, comportamento promissor quanto a formação de DME a partir do metanol. Já a HMCM-22 foi seletiva às olefinas leves e aos hidrocarbonetos com 4, 5 e 6 ou mais átomos de carbono. A influência da temperatura no desempenho catalítico foi investigada variando-se a temperatura de reação (300, 400 e 500C). Verificou-se que para a HZSM-5 e HMCM-22, perda da atividade catalítica foi intensificada a partir de 400C. Quanto à seletividade a olefinas leves, apenas a SAPO-34 não se mostrou sensível a variações na temperatura, efeito este que foi nitidamente observado nos outros três catalisadores: um aumento na temperatura promoveu um aumento na seletividade a olefinas leves no caso da HZSM-5 e da HMCM-22 e queda nesse valor para a HFER

Transformação de metanol em olefinas leves catalisada por zeólitas HZSM-5

A reação de transformação de MeOH em olefinas leves foi investigada sobre zeólitas HZSM-5 com razões SiO2/Al2O3 (SAR) iguais a 30, 80 e 280. As propriedades ácidas e texturais da amostra com SAR 30 foram modificadas por impregnação com ácido fosfórico. A caracterização físico-química das amostras foi realizada empregando-se as técnicas de FRX, fisissorção de N2, DRX, DTP de NH3 e IV com adsorção de piridina. O desempenho catalítico das mesmas foi comparado tanto em condições reacionais similares (mesma T, pressão parcial de MeOH e WHSV) como em condições de isoconversão. Verificou-se, que quanto maior a SAR da zeólita, menor a densidade total e a força dos sítios ácidos presentes, sendo este efeito mais significativo para os sítios de Brönsted. O efeito do aumento da SAR favoreceu a estabilidade catalítica e a formação de olefinas leves, principalmente propeno. No caso das amostras contendo fósforo, foi observada uma redução linear na área específica BET e no volume de microporos com o aumento do teor de fósforo. Estes resultados, aliados aos obtidos por DRX, sugerem que a redução mais significativa na área específica e no volume de microporos pode ser associada à redução na cristalinidade e à formação de espécies amorfas contendo fósforo, que bloqueariam a estrutura porosa da zeólita. Não se observou alteração significativa na força dos sítios fracos, enquanto a força dos sítios fortes diminuiu significativamente. As amostras apresentando menor SAR e menor teor de fósforo foram mais ativas. Por outro lado, em condições de isoconversão de 916%, a amostra mais seletiva à formação de olefinas foi aquela com maior SAR. Dentre as amostras impregnadas, aquela contendo 4% de fósforo foi a mais seletiva a propeno, enquanto a que continha 6% foi mais seletiva a eteno. A amostra com SAR igual a 280 foi investigada variando-se a temperatura de reação (400, 500 e 540C) e a pressão parcial de metanol (0,038; 0,083 e 0,123 atm), através de um planejamento experimental do tipo Box-Benhnken (32). O rendimento otimizado em olefinas leves foi alcançado a 480C e 0,08 atm. O modelo proposto descreveu bem os dados experimentais e evidenciou a existência de uma faixa ótima de temperatura para maximização do rendimento em propeno e eteno, o qual foi também afetado pela pressão parcial de MeOH na faixa estudada. Palavras-chave: ZSM-5, olefinas, propeno, eteno, processo MTO, fósforo.

Argilas pilarizadas: uma tecnologia limpa na reação de isomerização do óxido de estireno

Neste trabalho, fracionou-se e tratou-se a argila Brasgel. Esta argila foi pilarizada em vários estágios de facionamento e/ou tratamento com 5 meq de Al / g de argila: (i) Al-PILC, a argila passou por todos os estágios de fracionamento e tratamento (ARG), (ii) Al-PILCFe, a argila não passou pela etapa de retirada de Fe livre (ARGFe) e (iii) Al-PILCFe/silte, a argila não passou pelas etapas de retirada de silte e Fe livre (ARGFE/silte). Em análise por DRX observou-se que as Al-PILCs apresentaram uma distância basal maior que as argilas de partida. A análise textural indicou que as argilas Al-PILCs e ARGs são materiais mesoporosos, com poros do tipo fenda estreita e do tipo fenda, respectivamente. Além disso, as Al-PILCs apresentaram área superficial razoavelmente maior que as ARGs correspondentes. Outras análises feitas nas argilas foram: teor de Si, Fe e Al; CTC; FTIR; TGA e TGD. As argilas Brasgel pilarizadas foram usadas como catalisador na reação de isomerização do óxido de estireno em hexano sob refluxo. A reação foi seletiva na formação de fenilacetaldeído. As argilas Al-PILCFe e Al-PILCFe/silte apresentaram melhor desempenho catalítico (100 % de conversão em 20 min de reação). Assim, as argilas Brasgel pilarizadas se apresentaram como uma Tecnologia Limpa na reação de isomerização do óxido de estireno ao fenilacetaldeído. Palavras-chave: Desenvolvimento Sustentável. Tecnologia Limpa. Química Verde. Argilas Pilarizadas. Isomerização de Epóxidos.

Estudo da desativação hidrotérmica de catalisadores automotivos comerciais

O vapor dágua está presente na exaustão veicular em quantidades significativas e, nas condições de operação do catalisador automotivo, essa espécie pode promover uma série de fenômenos térmicos que podem reduzir a vida útil do sistema. Dentro desse contexto, essa dissertação tem como objetivo estudar os efeitos da desativação hidrotérmica nas propriedades físico-químicas e estruturais, e no desempenho de três catalisadores automotivos comerciais à base de Pd/Rh, designados A, C e E. Esses sistemas foram submetidos a tratamento térmico a 1000C por 12 horas, sob três tipos de correntes gasosas, com a seguinte composição: N2, 14% H2O/N2 e 18% H2O/N2. A caracterização dos catalisadores consistiu das seguintes técnicas: FRX, ICP-OES, ATG-ATD, fisissorção de N2, TPD-H2 e TPR. A partir dos resultados obtidos para as amostras envelhecidas, foram constatados vários fenômenos característicos da degradação térmica, como sinterização da alumina e do óxido misto CeO2-ZrO2, transições de fases cristalina na alumina e segregação de fases no óxido misto. A avaliação da atividade catalítica foi realizada com base na reação de redução do NO pelo CO, e nas reações de oxidação do CO e do C3H8. Para os catalisadores C e E, os envelhecimentos acarretaram em perda de atividade, e os resultados da avaliação catalítica apresentaram uma boa correlação com as propriedades texturais e a redutibilidade desses catalisadores. Em contrapartida, para o catalisador A, os tratamentos térmicos o ativaram para todas as reações. Apesar de os três sistemas terem apresentado boa atividade frente à redução do NO pelo CO, foi observada, para todas as amostras, a formação indesejável de N2O em quantidades significativas, indicando que eles foram pouco seletivos na faixa de temperatura analisada

Estudo da redução do NO pelo CO usando catalisadores de ródio suportado em óxido misto de cério e zircônio e óxido misto derivado de hidrotalcita

Esta tese teve como objetivo avaliar o desempenho de catalisadores de Rh suportados em cério-zircônio (CZ) e em óxido misto de magnésio e alumínio (HT) derivado de hidrotalcita na reação de redução do NO pelo CO em meio estequiométrico. Os suportes puros e impregnados com Rh foram nomeados CZ, RhCZ, HT e RhHT. Os suportes foram preparados por coprecipitação e o metal nobre foi adicionado no teor de 0,15% (m/m) por impregnação a seco. Foram realizados testes de caracterização como fisissorção de N2, DRX, TPR, espectroscopia Raman, DRIFTS, TGA-DTA e TPD-CO/NO. Para a avaliação catalítica, foi utilizada uma mistura de 1%NO + 1%CO em He e a atividade e seletividade foram expressas através das concentrações dos gases envolvidos ao longo de uma rampa de temperatura desde a temperatura ambiente até 500C. Os resultados de caracterização indicaram nítidas diferenças estruturais e físico-químicas entre os dois tipos de catalisadores nas isotermas de adsorção de N2, nos perfis de redução e nos difratogramas, já dando indícios de que os mecanismos de reação seriam diferentes. Pelas análises de DRIFTS identifica-se a presença de bandas características de espécies de CO adsorvidas no Rh somente para o catalisador RhCZ a baixa temperatura, ressaltando a interação Rh-CZ, também evidenciadas pelos resultados de Raman, mas que provavelmente não ocorrem com o óxido misto de Al e Mg. Observou-se que o suporte de CZ foi mais ativo a baixas temperaturas que o suporte de HT, porém o catalisador RhHT foi mais seletivo a N2 a 350C e emitiu menos N2O ao longo da faixa de temperatura avaliada do que o catalisador RhCZ. Resultados de TPD de NO e comparações de curvas experimentais e teóricas envolvendo as concentrações de CO, CO2 e NOx durante os testes catalíticos, acompanhados também pelas análises de DRIFTS nas mesmas condições, indicam que a redução do Rh e a afinidade do catalisador pelo NO são importantes para favorecer a maior seletividade da reação de redução do NO pelo CO a N2.

Catalisadores à base de Mg/La e de Al/La para a produção de biodiesel a partir de óleos refinados e ácidos

A crescente preocupação com a preservação do meio ambiente aliada às perspectivas de esgotamento das fontes de energia obtidas dos combustíveis fósseis tem impulsionado a indústria a desenvolver combustíveis alternativos a partir de recursos renováveis e processos ambientalmente não agressivos. O biodiesel, uma mistura de ésteres de ácidos graxos obtida pela transesterificação catalítica de óleos vegetais com álcoois de cadeia curta (metanol ou etanol) é um combustível alternativo importante, pelo fato das suas propriedades (índice de cetano, conteúdo energético e viscosidade) serem similares às do diesel obtido a partir do petróleo. No presente trabalho, a transesterificação do óleo de soja com metanol para a produção de biodiesel foi estudada em presença de catalisadores sólidos à base de Mg/La e Al/La com propriedades ácido-básicas. Catalisadores de Mg/La com uma relação molar Mg/La igual a 9:1 foram preparados por coprecipitação utilizando três métodos que se diferenciavam quanto ao tipo de agente precipitante e a temperatura de calcinação. O catalisador preparado com (NH4)2CO3/NH4OH como agente precipitante e calcinado a 450 C apresentou as melhores características físico-químicas e catalíticas. Catalisadores à base de Mg/La e Al/La com diferentes composições químicas foram sintetizados nas condições de preparo selecionadas. O comportamento catalítico destes materiais foi investigado frente à reação de transesterificação do óleo de soja com metanol. O catalisador de Al/La com uma relação molar Al/La igual a 9:1 mostrou o melhor desempenho catalítico (rendimento em ésteres metílicos igual a 84 % a 180 C) e pode ser reutilizado por pelo menos três ciclos de reação. Também foram realizados testes catalíticos na presença do óleo de soja com 10 % de ácido oleico verificando-se que os catalisadores utilizados possuem sítios capazes de catalisar as reações de transesterificação e esterificação

Simultaneous reduction of particulate matter and NOx emissions using 4-way catalyzed filtration systems

The next generation of diesel emission control devices includes 4-way catalyzed filtration systems (4WCFS) consisting of both NOx and diesel particulate matter (DPM) control. A methodology was developed to simultaneously evaluate the NOx and DPM control performance of miniature 4WCFS made from acicular mullite, an advanced ceramic material (ACM), that were challenged with diesel exhaust. The impact of catalyst loading and substrate porosity on catalytic performance of the NOx trap was evaluated. Simultaneously with NOx measurements, the real-time solid particle filtration performance of catalyst-coated standard and high porosity filters was determined for steady-state and regenerative conditions. The use of high porosity ACM 4-way catalyzed filtration systems reduced NOx by 99% and solid and total particulate matter by 95% when averaged over 10 regeneration cycles. A "regeneration cycle" refers to an oxidizing ("lean") exhaust condition followed by a reducing ("rich") exhaust condition resulting in NOx storage and NOx reduction (i.e., trap "regeneration"), respectively. Standard porosity ACM 4-way catalyzed filtration systems reduced NOx by 60-75% and exhibited 99.9% filtration efficiency. The rich/lean cycling used to regenerate the filter had almost no impact on solid particle filtration efficiency but impacted NOx control. Cycling resulted in the formation of very low concentrations of semivolatile nucleation mode particles for some 4WCFS formulations. Overall, 4WCFS show promise for significantly reducing diesel emissions into the atmosphere in a single control device. © 2013 American Chemical Society.

The fabrication of TiO2-supported zeolite with core/shell heterostructure for ethanol dehydration to ethylene

The TiO2-supported zeolite with core/shell heterostructure was fabricated by coating aluminosilicate zeolite (ASZ) on the TiO2 inoculating seed via in situ hydrothermal synthesis. The catalysts were characterized by transmission electron microscope (TEM), X-ray diffraction (XRD), nitrogen physisorption (BET), and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). The surface acidity of the catalysts was measured by pyridine-TPD method. The catalytic performance of the catalysts for ethanol dehydration to ethylene was also investigated. The results show that the TiO2-supported zeolite composite catalyst with core/shell heterostructure exhibits prominent conversion efficiency for ethanol dehydration to ethylene.

The role of CeO2-ZrO2 as support in the ZnO-ZnCr2O4 catalysts for autothermal reforming of methanol

Autothermal reforming of methanol for hydrogen production was investigated over ZnO-ZnCr2O4 supported on a series of metal oxides (Al2O3, CeO2, ZrO2 and CeO2-ZrO2)CeO2-ZrO2 mixed oxides with Ce /Zr molar ratio of 4/1 was found to be the optimal support which showed significant effect on the catalytic activity and selectivity. The ZnO-ZnCr2O4/CeO2-ZrO2 and ZnO-ZnCr2O4 catalysts were characterized by XRD, TEM, H-2-TPR and XPS. The results show that CeO2-ZrO2 mixed oxides have significant effect on the catalytic performance and the supported catalyst shows more uniform temperature distribution in the catalyst bed which was mainly due to its reasonable redox properties.