Avaliação do efeito do percentual de níquel nas características físico-químicas de catalisadores suportados em sílica para reforma a seco do biogás

Abstract

Resumo: A demanda por fontes de energia sustentável e a busca pela descarbonização atmosférica impulsionam a pesquisa por rotas eficientes para o aproveitamento do biogás. Uma das tecnologias que podem ser utilizadas para a conversão do biogás em gás de síntese (H2 + CO) é a Reforma a Seco. Para que o processo seja economicamente viável, são necessários catalisadores de baixo custo e alta estabilidade, como os à base de níquel (Ni). Nesse contexto, este trabalho buscou otimizar essa rota por meio do estudo e da avaliação de catalisadores com diferentes percentuais de níquel (5, 10, 15, 20, 25%) quanto às características físico-químicas e ao desempenho catalítico. Os catalisadores foram sintetizados a partir de sílica mesoporosa 40% como suporte, por impregnação do metal em rota úmida. O centro da pesquisa foi a caracterização estrutural, textural e superficial por difratometria de raios X, fisissorção de nitrogênio (BET), redução à temperatura programada de hidrogênio (TPR-H2) e dessorção à temperatura programada de amônia (TPD-NH3). Os resultados indicam que o percentual de Ni influencia diretamente a dispersão metálica e a acidez superficial. O catalisador com 10% de níquel (m/m) destacou-se pela maior área superficial e pelo maior volume de poros. Enquanto nos ensaios catalíticos a 800 °C por 12 h, os materiais com teores de 10, 15, 20 e 25 % de Ni apresentaram os melhores resultados, com conversões de CH4 e CO2 próximas de 90-98 % e uma razão H2/CO próxima do valor teórico de 1. A boa estabilidade foi confirmada pelas análises de oxidação a temperatura programada (TPO) e termogravimétrica (TGA), que mostraram que os catalisadores com 10 e 20 % de Ni apresentaram a menor taxa de deposição de coque, porém, com pouca diferença, não justificando o uso de 20 % de níquel no material, fixando, assim, o de 10 % como mais promissor. Dessa forma, validou-se um catalisador de baixo teor metálico e de suporte acessível como alternativa promissora e eficiente para a aplicação em reações de reforma a seco do biogás

Abstract: The demand for sustainable energy sources and the pursuit of atmospheric decarbonization are driving research into efficient routes for biogas utilization. One technology that can convert biogas into syngas (H? + CO) is Dry Reforming. For this process to be economically viable, low-cost and highly stable catalysts are required, such as those based on nickel (Ni). In this context, the present work aimed to optimize this route by studying and evaluating catalysts with different nickel loadings (5, 10, 15, 20, 25%) in terms of their physicochemical properties and catalytic performance. For catalyst preparation, 40% mesoporous silica was used as the support, with wet impregnation. The core of the research involved structural, textural, and surface characterizations using X-ray Diffraction (XRD), Nitrogen Physisorption (BET), Temperature-Programmed Reduction with Hydrogen (H?-TPR), and Temperature-Programmed Desorption of Ammonia (NH?-TPD). The results indicate that the Ni content directly influences metal dispersion and surface acidity. The catalyst with 10% nickel (w/w) exhibited the highest surface area and pore volume. Additionally, in catalytic tests at 800 °C for 12 hours, the materials containing 10, 15, 20, and 25% Ni showed the best performance, with CH? and CO? conversions of 90-98% and H?/CO ratios near the theoretical value of 1. Consequently, good stability was confirmed by Temperature-Programmed Oxidation (TPO) and thermogravimetric (TGA) analyses, which showed that the 10% and 20% Ni catalysts exhibited the lowest coke-deposition rates. However, the small difference between them does not justify using 20% Ni, establishing the 10% catalyst as the most promising. Thus, a catalyst with low metal loading and an accessible support was validated as a promising, efficient alternative for dry reforming of biogas