Cu,Zn-ZSM-5 catalysts for CO2 hydrogenation by reverse water gas shift (RWGS)

Autores

  • Lucas F. Couto Universidade Federal da Bahia Autor
  • Fernanda T. Cruz Universidade Federal Da Bahia Autor
  • Mauricio B. dos Santos Universidade Federal Da Bahia Autor
  • Raildo A. Fiuza-Junior Universidade Federal Da Bahia Autor
  • Karen V. Pontes Universidade Federal Da Bahia Autor
  • Artur J. S. Mascarenhas Universidade Federal Da Bahia Autor

Palavras-chave:

Zeólitos, Cu,Zn-ZSM-5, RWGS, CCUS, Zeolitic catalyst

Resumo

Replacing fossil fuels with clean energy is essential to achieve the energy transition to low-carbon technology. One way to use CO2 is to convert it into platform molecules (building blocks) or sustainable fuels. Hydrogenation by reverse shift reaction (RWGS) activates CO2 into CO, which can be used as intermediate in the preparation of new products of interest, such as methanol, dimethyl ether (DME), among others. Cu/ZnO-Al2O3 catalysts are commonly studied for reverse shift reaction (RWGS) and have been shown to be quite active for this reaction, however, its CO2 conversion can still be improved, since its conversion obtained values of 56,1% under the conditions studied. In this work, Cu,Zn-ZSM-5 catalysts were prepared by the ion exchange method (simultaneously or successively), introducing Cu and/or Zn contents of 1.5%. The materials were characterized and tested in the RWGS reaction with a catalyst mass of 0.2 g, total gas flow rate of 50 mL min-1 and a H2:CO2:Ar ratio of 6:1:3 (F/W = 15000 mL g-1 h-1). The active phase for the reaction is the finely dispersed metallic Cu in the zeolitic support. The Cu-ZSM-5 catalyst reached 45,5% conversion with 100% selectivity to CO at 800°C, while showing low conversions at 400°C. The catalyst containing only Zn did not show significant activity, only at 800°C, reaching CO2 conversions of 35,5% and selectivity of 98% to CO. The material prepared by successive ion exchange, when Zn was added first than Cu, presented higher CO2 conversion, reaching 81% CO2 conversion and 99.9% CO selectivity at 800°C. On the other hand, when Cu was exchanged prior to Zn, conversions of 40,3% and 99.6% CO selectivity were observed. The material obtained by simultaneous exchange presented 31,9% conversion with 99.7% CO selectivity at 800°C. This shows that the order of exchange of Cu2+ and Zn2+ ions significantly influences the catalyst activity in the RWGS reaction. These materials were also compared with the Cu/ZnO-Al2O3 catalyst, which presents higher CO2 conversions in the temperature range of 300 to 600°C, but at higher temperatures no significant increase in conversion is observed, reaching a maximum conversion of 56,1% at 800°C with 99,9% of selectivity. The best performing Cu,Zn-ZSM-5 catalyst achieved better CO2 conversion results and very close selectivity when compared to Cu,Zn-Al2O3.At low temperatures, generally below 500°C, the formation of CH4 and, eventually, methanol is observed, which decreases with increasing temperature, favoring greater selectivity to CO from 500°C. The Cu,Zn-ZSM-5 catalysts presented a satisfactory catalytic performance under the conditions investigated, achieving high CO2 conversions and high selectivity to CO at higher temperatures. The introduction of Zn2+ ions prior to the Cu2+ ions causes a significant increase in the catalytic activity, emphasizing its role as a promoter. The RWGS can be a preliminary reaction in methanol synthesis, The RWGS may be a preliminary reaction in the synthesis of methanol, as the formation of methanol was observed at low temperatures, this fact will be investigated in the future.

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Biografia do Autor

  • Lucas F. Couto, Universidade Federal da Bahia

    Graduação concluída na Universidade Federal da Bahia no curso de Química Bacharelado. Atualmente realizando doutorado no PGENAM na Universidade Federal da Bahia. Possui experiência em síntese e transformação de catalisadores heterogêneos na química inorgânica e realizou iniciação científica no Laboratório de Catalise e Materiais(LABCAT) no estudo de sínteses sem agentes direcionadores orgânicos e utilização de sementes. Possui experiência em monitorias na área de química geral e inorgânica, com foco em conceitos gerais das interações entre espécies químicas e compostos de coordenação. Possui experiência com analise de matéria prima em laboratórios de controle de qualidade na área de saúde.

  • Fernanda T. Cruz, Universidade Federal Da Bahia

    Professora do Departamento de Química Geral e Inorgânica do Instituto de Química da Universidade Federal da Bahia - UFBA, atualmente ocupa a cadeira de professora Adjunto. Licenciada em Química (2007) na Universidade do Estado da Bahia, Mestre em Química na área de concentração em Química Inorgânica (2011) e Doutora em Química com área de concentração em Química Orgânica (2017) pelo Instituto de Química da Universidade Federal da Bahia. Tem experiência na área de Química atuando principalmente nos temas: Cinética Química e Catálise, Química de interfaces, Química Fina, Energias Renováveis e Peneiras Moleculares. Nesse momento empenha esforços no aproveitamento e tratamento de resíduos sólidos com vista na redução de danos ambientais.

  • Mauricio B. dos Santos, Universidade Federal Da Bahia

    Professor do Departamento de Química Geral e Inorgânica do Instituto de Química da Universidade Federal da Bahia - UFBA, bacharel e licenciado em Química pela Universidade Federal da Bahia. Mestre em Química Inorgânica (2015) e doutor em Química (2019) pelo programa de pós graduação de Química da UFBA. Credenciado como docente participante do Programa de Pós-Graduação em Energia e Ambiente da UFBA. Desenvolve projetos focados na síntese e caracterização de materiais (zeólitos, MOFs, compósitos etc) visando aplicações em catalise, adsorção, fotocatálise etc. Tem experiência no desenvolvimento de: I) zeólitos por diversas rotas, inclusive por transformação interzeolítica; II) preparo de redes metalorgânicas com topologias zeolíticas (ZIFs) e; III) técnicas de caracterizações de materiais; preparo de fotocatalisadores. Desenvolve pesquisas correlacionadas com o aproveitamento de resíduos, processos sustentáveis de produção de energia, adsorção, degradação/conversão de poluentes. Especificamente voltados para a captura e separação de gases (Ex: CO2), remoção de poluentes emergentes (fármacos, corantes etc) e no desenvolvimento de novos catalisadores e sistemas catalíticos para produção de combustíveis sustentáveis e hidrogênio renovável.

  • Raildo A. Fiuza-Junior, Universidade Federal Da Bahia

    Professor do Departamento de Química Geral e Inorgânica do Instituto de Química da Universidade Federal da Bahia - UFBA, atualmente ocupa a cadeira de professor Adjunto. Bacharel em Química (2010) e Doutor em Química (2016) pelo Instituto de Química da Universidade Federal da Bahia. Credenciado no Programa de Pós-Graduação em Química e Programa de Pós-Graduação em Energia e Ambiente da UFBA. Premiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado da Bahia (FAPESB) no concurso ideias inovadoras, como finalista da categoria Mestrando (2010), premiado como inventor UFBA na categoria inventor nacional na 2 (2011) e 3 (2012) edição. Inventor de duas patentes depositadas no Brasil. Coordenador do Núcleo de Estudos em Meteoritos da UFBA. Coordenador/participante de projetos de pesquisa e/ou desenvolvimento de produto inovador junto a FAPESB, CNPQ e FINEP. Tem experiência no preparo de materias avançados, principalmente adsorventes, polímeros e catalisadores. Expertise na caracterização de materiais por análise textural por adsorção de nitrogênio, análise térmica (TG, DTA e DSC), difração de raios-X(DRX), fluorescência de raios-X (FRX), redução/dessorção termoprogramada (TPR, TPD), espectroscopia vibracional (FTIR, Raman), eletrônica (UV-Vis, DRS), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV-EDS-EBSD) e ressonância paramagnética eletrônica (EPR). Atualmente empenha esforços: (1) Desenvolvimento de novos materiais carbonáceos como catalisadores, suporte catalítico, captura e separação de gases, remoção de poluentes emergentes, supercapacitores, materiais condutores; (2) aproveitamento de resíduos de mármore para construção civil e produção de mármore sintético; (3) Desenvolvimento de novos catalisadores e sistemas catalíticos para produção de combustíveis sustentáveis e hidrogênio verde; (4) Monetização de biogás e gás natural por GTL; (5) estudos de caracterização, classificação e divulgação científica da ciência meteorítica. 

  • Karen V. Pontes, Universidade Federal Da Bahia

    Doutora em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas (2008) com período sanduíche na Universidade RWTH-Aachen na Alemanha (2006). Mestre em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas (2005). Graduada em Engenharia Química pela Universidade Federal da Bahia (2003) com láurea acadêmica. Atualmente é Professora (nível Associado IV) da Universidade Federal da Bahia e docente permanente do PEI (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Industrial - UFBA), do qual foi coordenadora entre 2009 e 2015, e do Programa de Pós-Graduação em Energia e Ambiente (PGEnAm). Chefe do Departamento de Engenharia Química da UFBA desde 2023. Associado fundador da Rede Brasil-Alemanha Internacionalização do Ensino Superior (Rebralint) desde 2017. Área de atuação: Captura e Conversão de Carbono, Produção de H2 e combustíveis sustentáveis a partir da biomassa, Processos Térmicos de Dessalinização baseado em energia solar, Modelagem, Otimização e Controle de Processos Químicos.

  • Artur J. S. Mascarenhas, Universidade Federal Da Bahia

    Professor do Departamento de Química Geral e Inorgânica do Instituto de Química da Universidade Federal da Bahia - UFBA, atualmente ocupa a cadeira de professor Titular. Graduação (1994) e Mestrado (1997) em Química pela UFBA (1997) e Doutorado em Química pela UNICAMP (2004). Credenciado no Programa de Pós-Graduação em Química e Programa de Pós-Graduação em Energia e Ambiente da UFBA. Coordenador do Laboratório de Catálise e Materiais (@labcat.ufba) com credenciado junto a Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP). Tem experiência na área de Química, com ênfase em Síntese e Caracterização de Materiais e Catálise Heterogênea, atuando principalmente nos seguintes temas: Catálise Ambiental; Peneiras Moleculares; Produção, Purificação, Armazenamento e Uso de Hidrogênio, Combustíveis Sustentáveis e Reaproveitamento/Reciclagem de Resíduos. Coordenador/Participante de projetos financiados por: FINEP; CNPQ; FAPESB; Petrobrás; Petrogal; SHV Energy e outros. Inventor de duas patentes. Atualmente empenha esforços: (1) Síntese, caracterização e aplicação de catalisadores zeolíticos em reações para a catálise sustentável; (2) Desenvolvimento de catalisadores e adsorventes magnéticos derivados de resíduos de biomassa; (3) Compostos de coordenação ocluídos em zeólitos para o desenvolvimento de sensores de gases (NOx e COx) e catalisadores biomiméticos; (4) Síntese de zeólitos por transformação interzeolítica na ausência de sementes e/ou agentes orgânicos direcionadores de estrutura; (5) Desenvolvimento de novos catalisadores e sistemas catalíticos para produção de hidrogênio e combustíveis sustentáveis; (6) Desenvolvimento de materiais para armazenamento de hidrogênio; (6) Monetização de biogás e gás natural por GTL; (7) Tecnologias sustentáveis integradas voltadas a reciclagem e aproveitamento de resíduos para sustentabilidade ambiental.

Referências

T.R.O. Souza; S.M.O. Brito; H.M.C. Andrade. Appl. Catal. A. 1999, 178, 7-15.

M. L.T. Triviño, N.C. Arriola Jr.; Y.S. Kang; J.G. Seo. Chem. Eng. J. 2024, 487, 150369

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Publicado

15-11-2024

Edição

Seção

Catálise aplicada na produção de combustíveis, biocombustíveis, produtos químicos e energia.

Como Citar

FONSECA COUTO, Lucas; TEIXEIRA CRUZ, Fernanda; BRANDÃO DOS SANTOS, Mauricio; ALVES FIUZA-JUNIOR, Raildo; VALVERDE PONTES, Karen; JOSÉ SANTOS MASCARENHAS, Artur. Cu,Zn-ZSM-5 catalysts for CO2 hydrogenation by reverse water gas shift (RWGS). XIV Encontro de Catálise do Norte, Nordeste e Centro-Oeste, Brasil, 2024. Disponível em: https://submissao.sbcat.org/index.php/xivencat/article/view/40. Acesso em: 26 dez. 2024.

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