Estudo da conversão de metano e produção de hidrogênio utilizando fotocatalisadores metais nobres/TiO2

Abstract

O CH4, principal componente do gás natural (> 80%), é uma expressiva fonte de carbono e hidrogênio, com grandes reservas mundiais e pode ser utilizado como matéria-prima para a produção de importantes insumos petroquímicos. Todavia, a conversão eficiente de metano a produtos de maior valor agregado sob condições brandas continua sendo um desafio devido à sua baixa reatividade e elevada entalpia de ligação C-H (ΔH = 440 kJ.mol-1). A fotocatálise heterogênea baseada em semicondutores utiliza uma radiação eletromagnética como fonte de energia e tem sido considerada como um processo promissor e sustentável para converter CH4 em condições amenas. Neste processo, o semicondutor, irradiado por uma fonte de radiação, dá origem a cargas fotogeradas (par elétron-lacuna) as quais podem promover reações de oxidação e de redução. Um sistema fotocatalítico cooperativo desenvolvido recentemente combina a conversão do metano com a produção de hidrogênio a partir da água, onde os elétrons são usados para a produção de hidrogênio e as lacunas para a conversão do metano. Neste trabalho realizou-se um estudo deste sistema cooperativo utilizando fotocatalisadores baseados em TiO2 decorados com nanopartículas de metais nobres (Pd, Pt, Ag e Au). Os fotocatalisadores foram preparados com diferentes massas de metais e por duas metodologias (redução por borohidreto e redução por álcool) e caracterizados por Difração de raios X, Microscopia eletrônica de transmissão, Fluorescência de raios X, Fotoluminescência, Raman e Espectroscopia de reflectância difusa na região do UV-vis. Os testes fotocatalíticos foram realizados em um reator comercial com o fotocatalisador em suspensão aquosa sob fluxo de metano e usando lâmpada Hg (fonte de radiação UV). Os produtos formados foram identificados e quantificados por CG-MS (Cromatografia Gasosa acoplada à Espectrometria de Massas) usando curva de calibração. Os fotocatalisadores apresentaram nanopartículas metálicas bem dispersas sobre o TiO2 com tamanhos na faixa de 2 a 5 nm. Dentre os materiais preparados, o fotocatalisador Pt/TiO2 (0,50% em massa de Pt) apresentou o melhor desempenho fotocatalítico, sendo os principais produtos formados H2, CO2, C2H6 e CO, além de pequenas quantidades de C2H4, C3H8 e C4H10. Para a combinação de metais nobres suportados em TiO2 (fotocatalisadores bimetálicos) não foi observada melhoras no desempenho quando comparado ao fotocatalisador Pt/TiO2. Foi também avaliado o uso de fotocatalisadores a base de Pt e TiO2 combinados com outros semicondutores, tais como ZnO, TiO2, FexOy, CuxOy, SnO2 e CeO2, e neste caso, o fotocatalisador 0,50%Pt-0,10%ZnO/TiO2 apresentou o melhor desempenho com formação de 2057 μmol.h-1.gcat-1 de C2H6 e evolução de 46828 μmol.h-1.gcat-1 de H2.