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Química Nova

Print version ISSN 0100-4042On-line version ISSN 1678-7064

Quím. Nova vol.32 no.5 São Paulo  2009

http://dx.doi.org/10.1590/S0100-40422009000500009 

ARTIGO

 

Óxidos do tipo perovskita para reação de redução de no com CO

 

Perovskite-type oxides to no reduction with CO

 

 

Eurico Y. Tanabe; Elisabete M. Assaf*

Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, CP 780, 13560-970 São Carlos - SP, Brasil

 

 


ABSTRACT

In this work, the perovskite-type oxides LaNiO3, LaMnO3, La0,7Sr0,3NiO3 and La0,7Sr0,3MnO3 were prepared by co-precipitation and tested in the NO reduction with CO at 400 and 500 ºC for 10 h. The catalysts were characterized by X-ray diffraction, temperature programmed reduction with hydrogen, nitrogen adsorption and chemical analysis. The nonstoichiometric oxygen was quantified by temperature programmed reduction, and the catalytic tests showed that the La0,7Sr0,3MnO3 catalyst presented the higher performance for the reduction reaction of NO with CO. The partial substitution of lanthanum by strontium increased the NO conversion and the N2 yield.

Keywords: perovskite; lanthanum; NO reduction with CO.


 

 

INTRODUÇÃO

Mundialmente, os problemas ambientais, como a poluição atmosférica resultante da emissão de gases lançados na atmosfera, estão sendo discutidos e debatidos através de conferências e encontros de governantes de vários países, a fim de criar uma rigorosa política ambiental para controlar e limitar a quantidades de gases emitidos. Gases como NO, CO, CxHy, e SOx, além de contribuírem para o efeito estufa, possuem poder de destruição da camada de ozônio. Um dos grandes marcos na tentativa de minimizar a quantidade de gases lançados na atmosfera foi a obrigatoriedade do uso de catalisador (contendo metais nobres, como paládio, platina e rutênio) nos veículos automotivos, convertendo os gases da combustão incompleta em CO2, H2O e N2.

Nos últimos anos, os óxidos do tipo Perovskita (fórmula geral ABO3) têm sido reconhecidos como catalisadores ativos, em substituição aos metais nobres, para uma variedade de reações, especialmente em catálise ambiental, como tratamento dos gases de exaustão, combustão catalítica de hidrocarbonetos, oxidação de CO e hidrocarbonetos, redução de NO com CO, reações de reforma e outras.1-5

A formação dos óxidos do tipo perovskita só ocorre quando a relação entre os raios dos íons metálicos envolvidos obedece ao fator de tolerância t, que deve estar entre 0,75-1,0 (t = (rA+ rO) / 21/2(rB + rO)). Uma das grandes propriedades destes óxidos é a possibilidade de substituição parcial dos cátions A e/ou B, levando a uma grande classe de materiais de fórmula geral A1-xA'xB1-yB'yO3+δ. Na fórmula, δ representa o excesso ou deficiência de oxigênio devido à não estequiometria destas espécies. A substituição parcial de A e/ou B por metais com diferentes estados de oxidação gera defeitos na estrutura (vacâncias aniônicas ou catiônicas), que são geralmente associados a propriedades físicas e químicas do material, favorecendo, por exemplo, o transporte de íons dentro da estrutura, provocando interessantes diferenças no desempenho catalítico.6

Considerando os problemas causados pela poluição automotiva e a necessidade de encontrar catalisadores ativos e estáveis que possam substituir os metais nobres presentes no conversor catalítico automotivo, o objetivo do presente trabalho foi preparar, caracterizar e estudar o comportamento dos catalisadores do tipo perovskita baseados em lantânio, especificamente LaNiO3, LaMnO3, La0,7Sr0,3NiO3 e La0,7Sr0,3MnO3, frente à reação de redução do NO com CO.

 

PARTE EXPERIMENTAL

Preparação dos catalisadores

Os óxidos do tipo perovskitas LaNiO3, LaMnO3, La0,7Sr0,3NiO3 e La0,7Sr0,3MnO3 foram preparados baseando-se no método da co-precipitação descrito por Liu et al..7 Inicialmente foram preparadas duas soluções: (A) solução de Na2CO3/NaOH; [Na+] = 3,0 mol L-1 e (B) solução dos nitratos metálicos [metal] = 1,0 mol L-1. Em seguida, simultaneamente e gota a gota, as duas soluções foram adicionadas em um béquer contendo 100 mL de água destilada. Durante essa adição, o pH da solução foi mantido constante e igual a 10. Após a adição da solução dos nitratos metálicos, formou-se um precipitado gelatinoso que foi lavado com fluxo de água destilada (2 L h-1) durante 5 h e, em seguida, com etanol (150 mL) no intervalo de 1 h. O precipitado foi então seco em estufa (90 ºC) durante 3 h, pré-calcinado a 350 ºC durante 2 h e calcinado a 800 ºC durante 4 h, sob fluxo de ar de 15 mL min-1 e rampa de aquecimento de 5 ºC min-1, para se obter o óxido do tipo perovskita.

Caracterização dos catalisadores

Os catalisadores foram caracterizados por fisissorção de nitrogênio, difração de raios-X (DRX), redução à temperatura programada com hidrogênio (RTP-H2) e espectrometria de emissão por plasma induzido (ICP). As análises de DRX foram realizadas em um equipamento Rigaku-Miniflex, operado com uma radiação CuKα (λ = 1,5418) entre 3 e 80º (2θ) e velocidade do goniômetro de 0,5 º/min. Nas análises de RTP-H2, em um equipamento Micromeritcs Chemissorb 2705, foram utilizados 10 mg de amostra, fluxo de 30 mL min-1 de 5% H2/N2 e taxa de aquecimento de 10 ºC min-1. A área superficial dos catalisadores foi determinada por fisissorção de N2 a 77 K, utilizando a equação de B.E.T em um equipamento Quantachrome Nova 2.0. Os teores dos metais nos catalisadores foram determinados através de ICP em um espectrômetro Perkin Elmer Optima-3000.

Avaliação catalítica

Os catalisadores, óxidos do tipo perovskitas, foram avaliados na reação de redução de NO com CO nas temperaturas de 400 e 500 ºC. Os testes catalíticos foram realizados em um reator tubular de vidro com leito fixo, utilizando 150 mg de catalisador. Durante a reação, o reator foi alimentado com 60 mL min-1 de uma mistura (1:1) de CO e NO. Ambos os gases são diluídos em hélio (1% CO:99% He) e (1% NO:99% He). Os produtos da reação foram analisados em um cromatógrafo a gás com detector de condutividade térmica, utilizando duas colunas empacotadas em série, uma coluna Porapak N (2 m x 1/8 "), uma peneira molecular 13X (3 m x 1/8 ") e hélio como gás de arraste. A quantificação dos gases foi realizada baseando-se no método do padrão externo.

 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Tabela 1 apresenta os resultados da área superficial específica dos catalisadores preparados pelo método da co-precipitação e os resultados das áreas superficiais obtidas por outros autores, utilizando-se diferentes métodos.7-9

 

 

As áreas superficiais obtidas a partir do método da co-precipitação foram maiores que através dos outros métodos, demonstrando assim sua eficácia. A adição parcial do estrôncio provocou um aumento no valor das áreas superficiais, para ambos os catalisadores. Esse aumento foi observado também por Liu et al..7 Este fato pode estar associado ao maior raio iônico do estrôncio (Sr2+ = 0,113 nm), quando comparado ao do lantânio (La3+ = 0,106 nm). De acordo com a literatura,2 a adição ou substituição de um átomo por outro pode acarretar um desbalanço eletrônico em função da carga e, também, modificação na estrutura devido à diferença do raio atômico, influenciando no tamanho da partícula e no valor da sua área superficial específica.

Na Figura 1, são apresentados os resultados de DRX dos catalisadores. Todos, com exceção do La0,7Sr0,3NiO3 estão de acordo com o padrão de difração da estrutura do óxido do tipo perovskita, obtido na literatura.10 Observa-se que os difratogramas referentes aos catalisadores LaMnO3 (Figura 1a) e La0,7Sr0,3MnO3 (Figura 1b) são muito semelhantes e apresentam os principais picos em 2θ = 22,5º; 32,1º; 39,1º; 46,1º; 52,0º; 57,5º; 67,7º e 78,1º. Segundo o JCPDS,10 a diferença entre os difratogramas do LaMnO3 e La0,7Sr0,3MnO3 está na intensidade dos picos em 2θ = 22,5ºe 39,1º. Para o catalisador LaMnO3 o sinal em 22,5º é mais intenso que o sinal em 39,1º, enquanto que para o La0,7Sr0,3MnO3 é ao contrário, ou seja o sinal em 22,5º é menos intenso que em 39,1º. Esta diferença de intensidade entre os sinais também foi observada neste trabalho.

 




 

No difratograma do LaNiO3 (Figura 1c), os picos de maior intensidade localizam-se em 2θ = 32,9º; 47,4º; 58,8º; 23,3º; 40,8º 41,3º; 67,4º e 79,2º e estão de acordo com a literatura.10 Os sinais em 2θ = 37,3º; 43,3º e 62,9 podem ser atribuídos à fase NiO. Segundo Dupeyrat et al.,11 pequenos cristais de NiO agregados podem ser formados juntamente com a estrutura do óxido do tipo perovksita LaNiO3. Para o catalisador La0,7Sr0,3NiO3 (Figura 1d), além dos picos referentes à estrutura da perovskita LaNiO3, observam-se picos referentes aos óxidos de níquel (NiO) e lantânio (La2O3). Picos referentes ao óxido de estrôncio não foram observados, possivelmente devido à baixa concentração do metal, ou à incorporação do estrôncio na estrutura.

A Tabela 2 mostra os resultados de análise química e observa-se que a quantidade real dos metais contida nos catalisadores está próxima aos valores teóricos.

 

 

Os perfis de RTP-H2 dos catalisadores LaNiO3, La0,7Sr0,3NiO3, LaMnO3 e La0,7Sr0,3MnO3 são mostrados nas Figuras 2 e 3. De acordo com Wang et al.12 e Lee et al.,13 a redução do estrôncio não pode ser observada dentro dessa faixa de temperatura. O perfil de RTP do manganês presente no óxido do tipo perovskita LaMnO3 (Figura 2, curva a) apresenta dois picos de redução, porém para o intervalo de temperatura analisada (<1000 ºC) não é possível a redução do Mn2+ para Mn0. De acordo com a literatura,12-15 normalmente, o óxido do tipo perovskita LaMnO3 apresenta-se como LaMnO3+δ devido ao excesso de oxigênio não estequiométrico contido na sua estrutura, acarretado pelo aumento no estado de oxidação do Mn3+ para Mn4+. Alguns pesquisadores15-17 calcularam o teor de Mn4+ nas perovskitas LaMnO3+δ, que pode atingir em média até 35%. Rojas et al.15 realizaram estudos com LaMnO3+δ e verificaram que o manganês pode perder mais que 1 elétron por molécula reduzida.

 

 

 

 

Na Figura 2, curva a, RTP do LaMnO3+δ, o pico de redução em 516 ºC pode ser atribuído à redução do Mn4+ para Mn3+, incluindo o excesso de oxigênio (Equação 1) e o pico em 846 ºC à redução do Mn3+ para Mn2+ (Equação 2). Esses mesmos picos, juntamente com ombros, podem ser observados quando se adiciona parcialmente o estrôncio (Figura 2, curva b). A substituição parcial do lantânio pelo estrôncio provoca um desbalanceamento de cargas e, para compensá-lo, há um aumento na quantidade da espécie Mn4+, através da oxidação do Mn3+ a Mn4+, ou uma deficiência de oxigênio na estrutura.

LaMnO3+δ+ δH2 → LaMnO3 + δH2O (1)

2LaMnO3 + H2 → La2O3 + 2MnO + H2O (2)

Observando-se o perfil de RTP para o catalisador LaNiO3, (Figura 3, curva a), verifica-se que apresenta três picos de redução. O pico em 435 ºC refere-se à redução do Ni3+ para Ni2+, resultando em La2Ni2O5 (Equação 3) e este se reduz de Ni2+ para Ni0 a 580 ºC (Equação 4). O pico em 420 ºC pode ser atribuído a redução da fase NiO segregada (Equação 5), corroborando com os resultados já apresentados de DRX.

2 LaNiO3 + H2 → La2Ni2O5 + H2O (3)

La2Ni2O5 + H2 → La2O3 + 2 Ni0 + 2H2O (4)

NiO + H2 → Ni0 + H2O (5)

A adição parcial do estrôncio na estrutura do LaNiO3, especificamente La0,7Sr0,3NiO3 (Figura 3, curva b), ocasionou o aparecimento de novos picos entre as temperaturas 713 a 780 ºC. Entretanto, o primeiro pico, em 357 ºC, pode ser atribuído à redução do NiO presente juntamente com a fase perovskita, pois no DRX verificou-se a presença do óxido de níquel. Em 418 ºC, pode ser atribuído à redução do Ni3+ para Ni2+ e, em 608 ºC, à redução do Ni2+ para Niº.

A partir do consumo total de hidrogênio, obtido através das áreas sob as curvas dos perfis de RTP, foi determinada a quantidade total de oxigênio removida por mol de óxido do tipo perovskita18 e o excesso ou a deficiência de oxigênio para cada amostra (δ) foi calculado através da metodologia baseada no trabalho de Buciuman et al..19 Os consumos teóricos de hidrogênio, juntamente com os obtidos neste trabalho, representados pelas áreas sob as curvas, estão apresentados na Tabela 3. Para os catalisadores LaMnO3 e La0,7Sr0,3MnO3 as áreas do RTP são maiores que as teóricas, indicando que estes óxidos apresentam excesso de oxigênio na sua estrutura. Já os catalisadores LaNiO3 e La0,7Sr0,3NiO3 apresentaram áreas menores que as teóricas, sugerindo deficiência de oxigênio na estrutura.

 

 

Os valores calculados do excesso e/ou deficiência de oxigênio (δ), juntamente com a quantidade de Mn4+ ou Ni2+, encontram-se na Tabela 4.

 

 

Avaliação catalítica

Os resultados das reações de redução de NO com CO, a 400 e 500 ºC, são apresentados nas Figuras 4-7.

 

 

 

 

 

 

 

 

Comparando-se os catalisadores LaNiO3 (Figura 4) e LaMnO3 (Figura 5), o catalisador LaNiO3 foi o que apresentou o melhor resultado em relação à conversão dos reagentes,tanto a 400 quanto a 500 ºC. Porém, quando o lantânio foi substituído parcialmente pelo estrôncio houve uma melhora significativa na atividade e estabilidade dos catalisadores e o La0,7Sr0,3MnO3 mostrou conversão superior à obtida com o La0,7Sr0,3NiO3.

A conversão do NO foi, para quase todos os catalisadores e temperaturas, com exceção do LaNiO3, superior à do CO. Esta maior conversão pode ser atribuída à ocorrência simultânea das reações de redução de NO com CO e de decomposição direta de NO. Esta hipótese foi baseada no cálculo do balanço de massa, considerando-se a estequiometria das reações. Para o catalisador LaNiO3, a seletividade para a reação de oxidação do CO parece ser ligeiramente superior.

As medidas de atividade catalítica mostraram que, ao se substituir parcialmente o lantânio pelo estrôncio, houve uma melhora significativa na reação de redução de NO com CO. Dentre os catalisadores não substituídos, o que apresentou melhor atividade catalítica foi o LaNiO3-δ, sendo que este catalisador se apresentou como óxido deficiente em oxigênio, enquanto que o catalisador que apresentou uma menor atividade catalítica, LaMnO3+δ, se apresentou como óxido com excesso de oxigênio. O mesmo fato ocorreu quando os catalisadores foram substituídos parcialmente pelo estrôncio, ou seja, as melhores atividades foram obtidas para os catalisadores que se apresentaram deficientes em oxigênio.

As Figuras 6 e 7 mostram o rendimento em N2 obtido para os catalisadores e temperaturas estudadas. Pode-se observar que as maiores temperaturas de reação e a substituição do lantânio pelo estrôncio favoreceram a formação de nitrogênio.

Em todos os ensaios catalíticos não foi observada a presença de N2O e os catalisadores demonstraram ser estáveis após as primeiras horas de reação.

Para a reação estudada é possível sugerir o seguinte mecanismo reacional: primeiramente a molécula de NO é adsorvida sobre o catalisador e reduzida a N2, deixando o catalisador oxidado. A presença do CO facilmente reduz o metal novamente ao seu estado inicial, dessorvendo-se sob a forma de CO2. Assim, a etapa limitante no mecanismo é a redução do NO e oxidação do catalisador. De acordo com este mecanismo, os óxidos do tipo perovskita que possuem deficiência em oxigênio serão mais ativos para a reação de redução do NO com CO, devido ao menor estado de oxidação em que se encontra o metal ativo do catalisador.

 

CONCLUSÕES

O método da co-precipitação mostrou-se eficiente para a obtenção dos óxidos do tipo perovskita com áreas específicas variando entre 7 e 15 m2/g.

De acordo com os dados de RTP, foi possível verificar a não estequiometria dos óxidos do tipo perovskita, através da quantificação da deficiência ou do excesso de oxigênio contido nas amostras. Assim, os óxidos contendo níquel foram classificados como deficientes em oxigênio, LaNiO2,96 e La0,7Sr0,3NiO2,84, enquanto que os óxidos contendo manganês como excesso em oxigênio, LaMnO3,26 e La0,7Sr0,3MnO3,06.

A adição ou substituição de outros metais na estrutura do óxido tipo perovskita acarreta a existência de oxigênio não estequiométrico, que melhora a atividade catalítica, o que foi comprovado com a adição de estrôncio nos catalisadores LaNiO3 e LaMnO3. Dentre os catalisadores estudados, os que apresentaram melhor atividade foram aqueles com maior deficiência em oxigênio. A atividade mostrou-se decrescente para os catalisadores na seguinte ordem: La0,7Sr0,3NiO2,84 >LaNiO2,96 > La0,7Sr0,3MnO3,06 > LaMnO3,26.

A maior atividade catalítica mostrada pelos óxidos do tipo perovskita contendo níquel indica que estes catalisadores são promissores para a reação de oxidação de NO com CO.

 

AGRADECIMENTOS

Ao Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal de São Carlos e ao CNPq.

 

REFERÊNCIAS

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Recebido em 3/4/08; aceito em 9/12/08; publicado na web em 28/5/09

 

 

* e-mail: eassaf@iqsc.usp.br

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