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

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