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Title: Desenvolvimento de anodos a base de Ni suportado em óxidos de Cério e de Praseodímio para células a combustível do tipo óxido sólido alimentadas com biogás
Authors: Ponseggi, Antonella Rocha
metadata.dc.contributor.advisor: Mattos, Lisiane Veiga
metadata.dc.contributor.advisorco: Noronha, Fábio Bellot
metadata.dc.contributor.members: Simões, Rita de Cássia Colman
Costa, Lídia Oazem de Oliveira da
Issue Date: 2019
Abstract: A utilização de combustíveis renováveis como o biogás, como fonte de energia, é uma alternativa limpa, na medida em que as emissões de CH4 e CO2 são diminuídas. O biogás é um gás composto sobretudo por metano e dióxodo de carbono, e é produzido através da digestão anaeróbica de matéria orgânica. Uma alternativa eficiente para o aproveitamento da energia do biogás é sua utilização em células a combustível do tipo óxido sólido (SOFC). Nos anodos das células SOFC alimentadas diretamente com biogás, a produção de H2 e CO para a geração de energia elétrica ocorre através da reforma do metano com CO2, ou reforma seca do metano. Os anodos mais utilizados nas células SOFC são à base de Ni suportado em YSZ. Entretanto, é necessário o uso de altos teores de Ni a obtenção de uma boa condutividade eletrônica e iônica. Quando combustíveis como o biogás são diretamente alimentados nos anodos, os elevados teores de metal e a sinterização dos componentes do anodo (provocada pelas altas temperaturas de operação) contribuem para a formação de grande quantidade de carbono, prejudicando o desempenho da célula. Sendo assim, o uso de anodos contendo menores teores de Ni suportado em óxidos resistentes à sinterização e ao depósito de coque (como óxidos mistos a base de CeO2), que apresentem alta atividade catalítica para a reforma do combustível e condutividade adequada, parece uma alternativa bastante promissora. Assim, neste trabalho, foram preparados materiais contendo 10 % (em peso) de Ni suportados em óxido de cério (Ni/Ce), em óxido de praseodímio (Ni/Pr) e em óxidos mistos de Ce e Pr (Ni/CexPr1-x, onde x= 0,2, 0,5, 0,8 e 0,9). Os catalisadores foram testados para a reação de reforma seca do metano a 800 °C e com razão CH4/CO2 = 1. Também, foram caracterizados via FRX, DRX ex e in situ, MEV, MET, TPR e TPO. Os resultados obtidos mostraram que a adição de Pr e o aumento do seu teor levaram a um aumento da mobilidade de oxigênio do suporte. Os testes catalíticos revelaram que o material dopado com o maior teor de Pr apresentou a maior atividade inicial, o que poderia ser atribuído ao menor tamanho de cristalito metálico. A maior dispersão metálica observada para esse material poderia estar associada à presença da fase Pr2NiO4, conforme mostrado pelas análises de DRX. Todas as amostras apresentaram baixa taxa de formação de carbono (0,15-0,23 mgC/gcat.h.molsCH4 convertido), apesar das diferenças observadas nos tamanhos de cristalito metálico e na redutibilidade dos materiais. A comparação entre os resultados obtidos para os catalisadores Ni/CexPr1-x e Ni/Pr com aqueles observados para o Ni/Ce mostrou que o uso de Pr causou uma redução na formação de carbono. A formação de carbono nas amostras Ni/CexPr1-x foi explicada em função da relação entre o tamanho de cristalito metálico e capacidade de armazenamento de oxigênio dos materiais.
metadata.dc.description.abstractother: The use of renewable fuels such as biogas, as a source of energy, represents a cleaner alternative in the means that CH4 and CO2 emissions are reduced. Biogas is composed mainly of methane and carbon dioxide, produced through the anaerobic digestion of organic matter. An efficient alternative for the utilization of biogas energy is its use in SOFC fuel cells. In the SOFC anodes fed directly with biogas, the production of H2 and CO for electric energy generation occurs through the reforming of the methane with CO2, or dry reforming of methane (DRM). The most commonly used anodes in SOFC cells are Ni based, supported on YSZ. However, the use of high levels of Ni is necessary, to obtain good electronic and ionic conductivity. When biogas type fuels are directly fed into the anodes, the high metal contents and the sintering of the anode components (caused by high operating temperatures) contribute to the formation of large amounts of carbon, wich spoils the performance of the cell. Therefore, the use of anodes with lower Ni contents, supported in sintering and coke deposition resistant oxides (such as CeO2-based mixed oxides), which exhibit high catalytic activity for fuel reforming and adequate conductivity, seems to be a promising alternative. In this work, materials containing 10% wt. of Ni supported on cerium oxide (Ni/Ce), praseodymium oxide (Ni/Pr) and on mixed oxides of Ce and Pr (Ni/CexPr1-x, with x= 0,2, 0,5, 0,8 e 0,9) were prepared. The catalysts were tested for the dry reforming reaction of methane for 24h, at 800 °C and a CH4/CO2 ratio of 1. In addition, the catalysts were characterized by XRF, ex and in situ XRD, SEM, TEM, TPR and TPO. The results showed that the addition of Pr, and the increase of its content, led to higher oxygen mobility of the support. The catalytic tests revealed that the material doped with the highest Pr content showed the highest initial activity, which should be attributed to the smaller metallic crystallite size. The greater metallic dispersion observed for this material could be associated to the presence of the Pr2NiO4 phase, as shown by the XRD analyzes. Despite the differences observed in the metallic crystallite sizes and the materials reducibility, all samples presented low rates of carbon formation (0.15-0.23 mgC/gcat.h.molsCH4 converted). The comparison of the obtained results for the Ni/CexPr1-x and Ni/Pr catalysts, with those observed for Ni/Ce, showed that the use of Pr caused a reduction in carbon formation. The carbon formation of Ni/CexPr1-x samples was explained as a function of the relationship between the metallic crystallite size and the oxygen storage capacity of the materials.
URI: https://app.uff.br/riuff/handle/1/15192
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