5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.5 Transformações sofridas pelas amostras durante ensaios de redução à temperatura
Os ensaios de caracterização por Redução à Temperatura Programada permitiram identificar os tipos de interação entre a fase ativa (Ni0) e o suporte, através das temperaturas referentes aos picos de reduções das espécies. As Figuras 26 (a) a (h) mostram as curvas de consumo de H2 em função da temperatura, bem como as curvas resultantes das deconvoluções (não mostradas), utilizadas para o cálculo da quantidade de H2 consumido durante os ensaios.
Figuras 26 (a)- (h): Ensaios de redução à temperatura programada para os óxidos das HT's sem e com envelhecimento
a b
Fonte: Arquivo pessoal.
Como visto da Figura 27, o óxido MgAlO0 não mostrou nenhum pico de redução até 1000oC, temperatura final do ensaio. Obviamente, sua variação envelhecida não apresentou espécies redutíveis.
e f
Figura 27: Redução à temperatura programada para óxido MgAlO0
Fonte: Arquivo pessoal.
Tanto para os óxidos derivados das HT’s sem e com envelhecimento, houve apenas um único pico de redução, a temperaturas altas, correspondente à redução de espécies Ni+2 presentes na solução sólida, as quais mostraram forte interação com o suporte. Foi também observado que ao diminuir o conteúdo de Ni+2, a redução se tornou mais difícil (deslocamento do pico de redução no sentido de temperaturas mais altas), em virtude da maior presença do cátion Mg+2 em relação ao Ni+2, o que aumentou a interação entre ambos na solução sólida (SERRA et al., 2000). As Figuras 28 (a) e (b) ilustram esse fato.
Figuras 28: Comparativo dos ensaios de redução à temperatura programada para os óxidos das HT's sem envelhecimento (a) e com envelhecimento (b)
Fonte: Arquivo pessoal.
Ao analisar o comportamento do pico de temperatura de redução para cada uma dessas curvas na Figura 28 (a), percebeu-se que o do óxido (NiMg)AlO10%/0 está levemente mais deslocado para temperatura menor do que esperado, de acordo com a tendência apresentada na mesma figura. Isto poderia sugerir também que as espécies Ni+2 presentes sejam mais fáceis de reduzir do que o esperado, por possuírem uma interação mais fraca com a solução sólida.
Os picos de temperatura de redução dos óxidos obtidos a partir das HT’s envelhecidas estão levemente deslocados no sentido de temperaturas maiores em comparação às temperaturas de redução dos óxidos das HT’s não envelhecidas, como visto das Figuras 28 (a) e (b), com destaque para o óxido (NiMg)AlO25%/0, cuja temperatura de redução foi 27oC inferior à sua respectiva variação envelhecida, em contrapartida, para os conteúdos nominais de 5% e 15%, a diferença foi 14oC e 23oC, respectivamente. Dessa forma, poderia existir relação entre o aumento da diferença da temperatura de redução e o aumento do conteúdo de níquel, havendo, portanto um limite para essa diferença, tal que não houvesse comprometimento no desempenho catalítico, comentado mais adiante na Seção 5.8.1.
No caso do óxido contendo o maior teor de níquel, como será comentado mais adiante, o catalisador derivado do óxido (NiMg)AlO25%/0 não apresentou qualquer estabilidade catalítica, provavelmente pelo elevado conteúdo de Ni+2 no óxido, o qual certamente não estava interagindo fortemente com o suporte, e após o processo de redução, tornou-se bastante suscetível à sinterização. Porém, sua variação envelhecida foi aparentemente mais estável, e a diferença entre o comportamento de ambos pode residir na diferença entre os picos de temperatura de redução para ambos os óxidos.
O óxido (NiMg)AlO10%/0, por sua vez, apresentou a maior diferença de temperatura de redução em relação a sua variação envelhecida (33oC), porém, diferentemente do óxido (NiMg)AlO25%/0, foi estável durante a reação (Seção 5.8.1), provavelmente por não apresentar elevada tendência de sinterização como este último.
A Tabela 8 mostra o consumo de H2 durante a análise, bem como a redutibilidade da fase ativa.
Tabela 8: H2 consumido e redutibilidade
*as análises químicas não foram realizadas para estas amostras
Fonte: Arquivo pessoal.
Para o óxido (NiMg)AlO5%/e, observou-se aumento de redutibilidade comparado à sua variação não envelhecida, como visto da Tabela 8, muito embora essa redução tenha sido mais difícil, uma vez que seu pico de redução é 871oC, ao passo que para sua variação não envelhecida, 857oC. Entretanto, esta maior redutibilidade pode estar associada à formação de um ombro na região em torno de 700oC (Figura 26 (b)), indicando espécies Ni+2 com menor interação na solução sólida.
As Figuras 29 (a) a (e) mostram as curvas de consumo de H2 em função da temperatura, bem como curvas obtidas a partir das deconvoluções, para os óxidos contendo o elemento Ce. Estrutura H2 consumido (μmol) Redutibilidade (%) (NiMg)AlO5%/0 19 73% (NiMg)AlO5%/e 25 100% (NiMg)AlO10%/0 46 * (NiMg)AlO10%/e 46 * (NiMg)AlO15%/0 80 100% (NiMg)AlO15%/e 80 100% (NiMg)AlO25%/0 122 * (NiMg)AlO25%/e 126 *
Figuras 29 (a) - (e): Ensaios de redução à temperatura programada para os óxidos contendo Ce
Fonte: Arquivo pessoal.
O perfil de redução do óxido MgAlO+CeO2, mostrado na Figura 29 (a) evidenciou o mecanismo de redução do Ce+4 a Ce+3: redução do oxigênio estrutural, ou redução parcial da
a b
c d
CeO2, aqui a 579oC, e finalmente da CeO2 bulk, a 930oC (DAZA, C.E. et al., 2008; DAZA. C.E.; MORENO; MOLINA, 2011).
Nos óxidos (NiMg)AlO5% + CeO2 e (NiMg)AlO10% + CeO2, observou-se deslocamento do primeiro pico de redução para temperatura menor se ambos forem comparados ao óxido MgAlO+CeO2. Isso pode estar relacionado à formação da espécie NiO segregada pela CeO2, bastante perceptível do ensaio de TPR quando este conteúdo de níquel correspondeu a 10%, notando-se um pico de redução a 480oC, acompanhado de redução do oxigênio estrutural e de espécies Ni+2 mais fracamente associadas à rede, entre 500 e 700 oC. De acordo com Daza, C.E., Moreno e Molina (2011), a partir de caracterizações por XPS realizadas, comprovou-se que níquel e cério apresentam interações eletrostáticas, uma vez que o segundo possui elétrons nos orbitais d, enquanto que o primeiro possui orbitais d não totalmente preenchidos. Assim, o cátion Ni+2 poderia aceitar elétrons dos orbitais d do cério, enfraquecendo a interação do Ni+2 no periclásio, formando então espécies segregadas, as quais, porém, não foram perceptíveis no difratograma.
Entretanto, nos óxidos (NiMg)AlO15% + CeO2 e (NiMg)AlO25% + CeO2, foram observados basicamente picos referentes à redução do Ni+2 presente na solução sólida. Isso pode estar relacionado ao fato da quantidade de cério presente ter sido insuficiente para interagir com o níquel, como descrito no parágrafo anterior. Levando este fato em consideração, poderia ser esperado que para o óxido (NiMg)AlO5%+CeO2 houvesse maiores indícios de redução de espécies NiO segregadas, já que este óxido apresentou o menor teor de fase ativa, e o Ce poderia interagir com grande parte dela. Entretanto, neste caso, grande parte do Ni+2 permaneceu em solução sólida, como visto na Figura 29 (b).
Além disso, o consumo de H2 registrado nos óxidos (NiMg)AlO15% + CeO2 e (NiMg)AlO25% + CeO2, como mostrados na Tabela 9, foram apenas ligeiramente superiores aos consumos registrados pelas suas respectivas variações sem Ce (Tabela 8), sugerindo poucos indícios de redução da CeO2 bulk nos dois primeiros casos. Isto poderia estar associado aos menores tamanhos de cristalito da fase CeO2, mostrados na Seção 5.1, 2,9 nm e 1,2 nm, para (NiMg)AlO15% + CeO2 e (NiMg)AlO25% + CeO2, respectivamente, os quais poderiam indicar maior dispersão desta fase na superfície destes óxidos em comparação aos demais teores de níquel. Os ombros presentes para ambos os óxidos na região de 500oC, entretanto, poderiam estar relacionados à redução de oxigênio estrutural da céria, da mesma forma como ocorreu no óxido (NiMg)AlO10% + CeO2, bem como à redução de espécies Ni+2 mais fracamente ligadas à rede, perceptíveis pelo fato das curvas terem se tornado mais assimétricas comparadas às curvas de redução das respectivas amostras sem Ce.
Tabela 9: H2 consumido e redutibilidade dos óxidos contendo Ce
Fonte: Arquivo pessoal.
Dessa forma, na temperatura de redução da fase ativa adotada antes dos ensaios catalíticos, ou seja, 750oC, pode ser afirmado que não houve redução total da CeO2 bulk a Ce2O3, uma vez esta é reduzida apenas a temperatura superior a 900oC, como visto da Figura 29 (a), podendo-se garantir apenas a redução do oxigênio estrutural, ou seja, redução parcial. Entretanto, aparentemente menor proporção deste oxigênio estrutural foi reduzido no óxido (NiMg)AlO5% + CeO2 (Figura 29 (b)), uma vez que notou-se que o consumo de H2 no pico principal começou ser registrado a partir de 650oC. Porém, como visto novamente na Figura 29 (a), a redução destas espécies inicia-se próximo a 500oC, finalizando na região de 700oC.
Retornando à Tabela 9, percebeu-se que a presença da céria aparentemente não influenciou a redutibilidade da fase ativa.