Conversão de metano em hidrocarbonetos C2 utilizando célula a combustível de óxido sólido com camada catalítica de lantânio-cério

Abstract

Uma estratégia para a produção de hidrocarbonetos C2 – etano e etileno – é a conversão direta do metano (CH4) pela rota do acoplamento oxidativo eletroquímico (EOCM) desenvolvido em dispositivos eletroquímicos, como as células a combustível de óxido sólido (SOFC), proporcionando o controle sinérgico das reações de oxidação/redução eletroquímica com catálise in situ. Nesse contexto, estudou-se a utilização do óxido misto La0,5Ce0,5-xCaxO2-δ (x = 0 – 0,12) como camada catalítica adicional no anodo Ni/YSZ de uma SOFC para o processo de EOCM. As soluções sólidas, sintetizadas pelo método de combustão, apresentaram estrutura cristalina do tipo fluorita desordenada. A adição de Ca proporcionou a formação de vacâncias de oxigênio e o ordenamento dessas foi evidenciado pelo surgimento da fase do tipo C observada pela espectroscopia Raman, reduzindo a condutividade iônica. As amostras dopadas com Ca apresentaram características superficiais mais favoráveis para a reação de acoplamento oxidativo do CH4, devido à promoção da basicidade e presença das espécies superficiais ativas de oxigênio, resultando em melhores desempenho catalítico. A partir dos testes de EOCM realizados nas SOFCs com camada catalítica anódica à base dos óxidos mistos de La-Ce, observou-se que a conversão de CH4 e a seletividade de produtos C2 estão intimamente relacionados às condições operacionais, como a concentração de reagentes, vazão do fluxo anódico e temperatura de operação. Além dos compostos C2, produtos da reforma interna do metano (CO e H2) foram formados. O La0,5Ce0,38Ca0,12O2-δ foi encontrado como o catalisador mais ativo, atingindo uma taxa de formação de hidrocarbonetos C2 de 1,9x10-3 mol.gcat-1.min-1 na reação de OCM e 3159 μmol.min-1.cm-2 na EOCM. A utilização de SOFC modificada com camada catalítica anódica para o processo de EOCM apresentou estabilidade por 30h de operação contínua, podendo ser considerada uma abordagem promissora para a obtenção de produtos químicos e energia elétrica como um subproduto.