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Type: Tese de Doutorado
Title: Sistemas redox reversíveis Fe°/óxido de ferro para produção de hidrogênio
Authors: Marcelo Goncalves Rosmaninho
First Advisor: Maria Helena de Araujo
First Co-advisor: Rochel Montero Lago
First Referee: Ricardo Reis Soares
Second Referee: Luiz Carlos Alves de Oliveira
Third Referee: Rosana Zacarias Domingues
metadata.dc.contributor.referee4: Clesia Cristina Nascentes
Abstract: O hidrogênio é o combustível do futuro, seja pela eficiência energética ou pelo aspecto ambiental. Os maiores desafios nesta área hoje são encontrar formas eficientes de produzir hidrogênio para estas aplicações e encontrar formas seguras, simples e de baixo custo para seu armazenamento. Neste trabalho de doutorado foi investigado um sistema inovador para a produção de hidrogênio utilizando combustíveis renováveis e/ou baixo custo e de baixo impacto ambiental tais como etanol, gás natural e luz solar. Este sistema se baseia em duas reações reversíveis envolvendo as fases Feo e óxidos de ferro. Na primeira reação o óxido de ferro reage com o combustível, e.g. etanol, para formar ferro metálico, e em uma segunda etapa o ferro produzido é re-oxidado utilizando-se água, levando a produção de hidrogênio. O trabalho foi dividido em quatro etapas principais: (i) Síntese e caracterização dos óxidos a-Fe2O3, .-Fe2O3, Fe3O4, a-FeOOH, seguida de testes de redução através da técnica de Reação a Temperatura Programada (ReTP). Os resultados obtidos mostraram que etanol pode reduzir qualquer uma das fases de ferro. Análises por DRX, Mössbauer, TG/DTA, MEV e reações com etanol realizadas a 300, 400, 500, 600, 700, 800 e 900oC sugeriram a formação de diferentes produtos dependendo da temperatura: Fe3O4 a 300 °C, Fe1-xO a 500 °C, Fe° a 600 °C e Fe3C a temperaturas acima de 600 °C, bem como deposição de carbono. (ii) Síntese e caracterização de compósitos de óxidos de ferro suportados em Al2O3 , SiO2 e TiO2 com teores de 7, 14, 21 e 35 % em peso de ferro, bem como estudos ReTP com etanol para estes materiais. Para todos estes materiais suportados, partículas de dimensões nanométricas de óxidos de ferro são reduzidas de forma semelhante aos óxidos de ferro puros. No entanto, observou-se que o ferro reage com o suporte no caso de SiO2 e de TiO2. (iii) Realização de ciclos de redox utilizado-se, inicialmente, hidrogênio e, posteriormente, etanol, para redução dos óxidos de ferro puros e suportados, seguido de oxidação com água. Tanto a hematita pura quanto a suportada em alumina mostraram-se ativas por pelo menos cinco ciclos consecutivos de redução/oxidação, sendo a suportada consideravelmente mais ativa. (iv) Uma parte do trabalho foi realizado no Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP) .. ró Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) na Espanha, sob co-orientação do Prof. Dr. Jose Luis García Fierro. Nesta parte, ferritas com diferentes teores de níquel foram utilizadas em ciclos redox similares aos anteriores, mas utilizando a redução puramente térmica da ferrita a temperaturas de até 1400 °C, seguida de oxidação com água a até 1200 °C, em uma simulação das condições utilizadas em um reator solar. As amostras foram caracterizadas por TPR, TPO, MEV, DRX, ICP e XPS e submetidas a ciclos de redução térmica e oxidação com água. Os resultados mostraram que a ferrita totalmente substituída (NiFe2O4) é mais facilmente reduzida termicamente, bem como apresenta maior estabilidade quando submetida a múltiplos ciclos redox. Além disso, a ferrita suportada apresentou uma produção de hidrogênio consideravelmente superior à não suportada
Abstract: Hydrogen is the fuel of future, due to its energetic efficiency and the environmental aspects. The most important current challenges are to develop efficient methods to produce hydrogen and find safe, simple and low cost forms to store and transport the H2 gas. In this workit was investigated a new system for hydrogen production using renewable and/or low cost and environmental impact fuels, like ethanol, natural gas or solar radiation. This system is based ontwo reversible reactions involving Fe and iron oxides. In the first reaction the iron oxide reacts with the fuel, e.g. ethanol, to produce metallic iron, and in a second step the produced iron is reoxidized using water, producing hydrogen. The work is divided into four parts:(i) Synthesis and characterization of the iron oxides -Fe2O3, -Fe2O3, Fe3O4, -FeOOH, following by reduction in Temperature Programmed Reaction (TPRe) experiments. The results showed that ethanol reduces the different iron oxides. XRD, Msbauer, TG/DTA and SEManalysis, as well as the reactions carried out at 300, 400, 500, 600, 700, 800 and 900 C suggested the formation of the different products depending on the temperature: Fe3O4 at 300 C, Fe1-xO at500 C, Fe at 600 C and Fe3C at temperatures higher than 600 C, as well as carbon deposition. (ii) Synthesis and characterization of iron oxides composites supported on Al2O3, SiO2 and TiO2 with 7, 14, 21 e 35 wt% of iron. The supported iron oxides are reduced in a similar wayto the pure oxides. However, iron reacted with the SiO2 and TiO2 support to form more stable oxides. (iii) Study of redox cycles using hydrogen and also ethanol for the reduction of the iron oxides supported and unsupported, following of the oxidation with water. Both the pure hematiteand the alumina-supported iron oxides showed activity for at least five consecutive reduction/oxidation cycles. The supported iron oxides were significantly more active during reduction/oxidation cycles.(iv) Use of Ni ferrites in redox cycles similar to the previous ones, but using thermal reduction of the ferrites at temperatures up to 1400 C , following by oxidation with water up to 1200 °C , simulating the condition used in a solar reactor. The samples were characterized byTPR, TPO, SEM, XRD, ICP and XPS, and submitted to thermal reduction and water splitting cycles. The results showed that the completely substituted ferrite (NiFe2O4) is more easily reduced, as well shows higher stability when submitted to multiple redox cycles. However, thesupported ferrite showed higher hydrogen production compared to the unsupported one. This part of the work was carried out at the Instituto de Catáisis y Petroleoquímica (ICP) in Madrid
Subject: Química inorgânica
Óxidos de ferro
Hidrogenio
Células a combustível
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-8Z8RPC
Issue Date: 10-Aug-2010
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