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Type: Dissertação de Mestrado
Title: Síntese e caracterização de nanopartículas de CeO2-x e avaliação de sua atividade catalítica
Authors: Daniele Cristina Ferreira
First Advisor: Klaus Wilhelm Heirinch Krambrock
First Referee: Luiz Orlando Ladeira
Second Referee: Ariete Righi
Abstract: O óxido de cério CeO2 está sendo amplamente utilizado em reações catalíticas a altas temperaturas, como catalisador heterogêneo para emissões automotivas e emissões de refinarias de petróleo. Isso se deve às suas propriedades de oxidação-redução, sua alta capacidade de armazenar oxigênio em sua estrutura e sua estabilidade térmica e química durante a catálise. A céria elimina a fuligem da combustão incompleta dos motores, que é geralmente causada pela oscilação na razão ar/combustível, e é regenerada após esse processo, pela simples exposição ao ar. O motivo do presente trabalho é a avaliação dos vários fatores os quais influenciam a eficiência catalítica deste material como a área superficial, formação de defeitos intrínsecos e extrínsecos, a formação de espécies reativas de oxigênio na presença de luz e peróxido de hidrogênio. Para tal, realizamos testes catalíticos como a oxidação de fuligem em função de temperatura e degradação de corantes catiônicos na presença de peróxido de hidrogênio e de luz em temperatura ambiente. No presente trabalho, duas rotas químicas foram usadas para síntese do CeO2 nanoestruturado com dopagem: rota química úmida para dopagem com nitrogênio e síntese hidrotermal para as dopagens com ferro e cobre. Após síntese as amostras foram calcinadas em atmosferas oxidantes e redutoras em temperaturas entre 200 e 500 °C. Todas as amostras produzidas foram caracterizadas por várias técnicas experimentais como difração de raios X, espectroscopia Raman e ressonância paramagnética eletrônica (RPE). Pudemos verificar que a dopagem com metais de transição (Fe e Cu) é um processo mais eficiente para a formação de vacâncias de oxigênio, que tratamentos térmicos em atmosfera redutora de gás verde, mistura de H2 e N2. As vacâncias de oxigênio compensadas pela transferência de dois elétrons por dois íons Ce3+ são os defeitos predominantes na estrutura do material sendo eles responsáveis pela formação das espécies reativas de peróxido (O22-). A formação de espécies de Ce3+ isoladas não é um processo dominante em CeO2 diferentemente do que acontece em TiO2. Além da introdução de vacâncias de oxigênio, a dopagem com metais de transição (Fe e Cu) em amostras de CeO2 tratadas em atmosferas redutoras levam a formação de pares redox Fe2+/Fe3+ e Cu2+/Cu+ que aumentam a eficiência de reações catalíticas deste material através de processo Fenton mediado pela formação de espécies reativas de oxigênios como, O22- e OH. Estas espécies foram verificadas por meio de espectroscopia Raman e Ressonância Paramagnética Eletrônica usando o método de armadilhas de spin. Os resultados experimentais indicam uma melhora considerável nos testes catalíticos realizados com as amostras sintetizadas por nós, se comparados ao óxido de cério comercial.
Abstract: Cerium oxide CeO2 is widely used in catalytic reactions at high temperatures, such as heterogeneous catalyst for automotive emissions and emissions from oil refineries. The catalytic efficiency of CeO2 is related with the oxidation/reduction properties, its high capacity to store oxygen in its structure and its thermal and chemical stability during catalysis. The ceria removes the soot from incomplete combustion engine, which is generally caused by the variation in air/fuel ratio. After this process, CeO2 is simply regenerated by exposure to air. The motif of this work is the evaluation of the various factors which influence the catalytic efficiency of this material such as the surface area, formation of intrinsic and extrinsic defects, and the formation of reactive oxygen species in the presence of light and hydrogen peroxide. To this end, we tested the catalytic oxidation of soot as a function of temperature and the degradation of cationic dye in the presence of hydrogen peroxide and light at room temperature. In this study, two routes were used for chemical synthesis of nanostructured doped CeO2 : wet chemical route for doping with nitrogen and hydrothermal synthesis for doping with iron and copper. After synthesis, the samples were calcinated in oxidizing and reducing atmospheres at temperatures between 200 and 500 ° C. All samples produced were characterized by various experimental techniques such as X-ray diffraction, Raman spectroscopy and electron paramagnetic resonance (EPR). We were able to verify that doping with transition metals (Fe and Cu) is a more efficient process for the formation of oxygen vacancies compared with heat treatments in reducing atmospheres by green gas, a mixture of H2 and N2. The oxygen vacancies, the dominant defect species, are formed by two neighboring Ce3+ ions which transfer immediately their electrons to the vacancies forming reactive peroxide species (O22-). The formation of isolated Ce3+ defects in CeO2 is not a dominant process different from what happens in TiO2. Besides the introduction of oxygen vacancies, doping with transition metals ions (Fe and Cu) in CeO2 and treated in reducing atmospheres lead to formation of redox couples Fe2+ / Fe3+ and Cu2+ / Cu+ which increase the efficiency of catalytic reactions due to Fenton reaction mediated by the formation of reactive oxygen species such as O22- and OH. These species were verified by Raman spectroscopy and electron paramagnetic resonance using the spin trapping method. Our experimental findings indicate a significant improvement in catalytic tests performed with samples synthesized by us, compared to commercial cerium oxide.
Subject: Óxido de cério
Ressonancia paramagnetica eletronica
Espectroscopia de Raman
Física
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-9ESF2H
Issue Date: 19-Nov-2013
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