Catalisadores: Caracterização e Avaliação EQE 701 Catalisadores: Caracterização e Avaliação Tópicos especiais em Catálise: Caracterização de estrutura de superfície de catalisadores utilizando métodos de elevada resolução espacial: FTIR, DRX, XPS, EXAFS e UV-VIS Yordanka Reyes Cruz Neyda Om Tapanes

Métodos de elevada resolução espacial Método de adsorção gasosa Método intrusão de mercúrio Métodos térmicos Análise Termogravimétrica (ATG) Analise termodiferencial (ATD) de analise térmica de temp. programada: TPR, TPO, TPD, TPA Métodos de elevada resolução espacial Espectroscopia Infravermelho (IV) Espec. de Fotoelétrons excitados por raios X (XPS) Espec. da Estrutura Fina de Absorção de raios X (XAFS) Difração de raios X (DRX) Espectroscopia no UV/Vis

Métodos de elevada resolução espacial Método de adsorção gasosa Método intrusão de mercúrio Métodos térmicos Métodos de elevada resolução espacial

Caracterização dos Catalisadores Composição Química Estrutura cristalina Propriedades Texturais Propriedades Térmicas Sítios ativos

Propriedades Texturais Área superficial Volume de poro Tamanho e distribuição de tamanho de poros Densidade do sólido Diâmetro Médio de poro

Propriedades Texturais Área superficial O área superficial de um catalisador determina a acessibilidade dos reagentes aos sítios ativos. A magnitude desta área determina que um catalisador promove satisfatoriamente una reação química. A maioria das partículas, tens superfícies bastante irregulares. Estas irregularidades podem ir desde escala atômica ate gretas o poros relativamente grandes.

Tipos de materiales sólidos Sólidos no porosos, baja área superficial Sólidos porosos Superficie alta a media Catalizadores Sitios activos en soportes porosos

Propriedades Texturais Área superficial Método de adsorção gasosa: Baseado na determinação da quantidade de um gás inerte, requerido para formar uma camada mono molecular sobre a superfície do catalisador a uma temperatura constante. Área superficial do catalisador Área a ser ocupada por cada molécula de gás em condições determinadas. =

V = f(P/P0)T Propriedades Texturais Área superficial O método de adsorção gasosa de N2 a 77 K é muito usada na catalise heterogênea. V = f(P/P0)T V: volume adsorvido P/P0: pressão relativa P0: pressão de saturação Equação que representa a isoterma de adsorção

Isoterma de Adsorção I- formação da monocamada II 1 P/P0 I- formação da monocamada II- condensação do gás nos poros (D>20Å) Determinar o tipo e o tamanho de poros na amostra (segundo a forma da isoterma) Calculo do volume de gás adsorvido na monocamada AS

(Braunauer, Deming e Teller) Característica de sólidos com microporosidade I II IV III V VI Típicas de sólidos não porosos ou macroporos Com mesoporos. Histerese Adsorção do gás por um sólido não poroso de superfície quase uniforme (caso raro) Sistemas onde as moléculas do adsorvato apresentam maior interação entre si do que com o sólido. (Não é nosso interesse) 1 P/P0 P0 pressão de saturação P/P0 pressão realtiva Classificação BDDT (Braunauer, Deming e Teller) ?

Propriedades Texturais Sw = Vm S N M O número de moléculas necessário para formar esta única camada pode ser calculado a traves do volume de gás (Vm) requerido para recobrir inteiramente a superfície do sólido S: área ocupada por molécula de N2 M: volume molecular do N2 N: numero de Avogadro Propriedades Texturais Área superficial

Propriedades Texturais Área superficial Vários modelos são propostos na literatura para determinar o volume de gás adsorvido (Vm) em função da pressão relativa. Método BET (Braunauer, Emmet e Teller) Método que determina o volume adsorvido a partir das isotermas de adsorção

Válida para a parte da isoterma entre P/P0= 0,05 e 0,3 Propriedades Texturais Método BET (Brunauer-Emmet-Teller) P = 1 + C-1 . P Vads (P0-P) C.Vm C.Vm P0 EQ. LINEAR Válida para a parte da isoterma entre P/P0= 0,05 e 0,3 P e Vads  pressão de equilíbrio e volume total adsorvido (CNTP) P0  pressão de vapor do gás (N2) na temperatura da isoterma Vm  volume correspondente à monocamada (CNTP) C  constante (depende do sistema sólido-gás considerado) 0.3 0.05 P/P0

Propriedades Texturais Método BET (Brunauer-Emmet-Teller) As medições necessárias são levadas a cabo como o catalisador encerrado numa câmara (enfreada num banho de nitrogênio líquido) onde se admite a entrada de quantidades conhecidas de nitrogênio gasoso. Equipamento utilizado: Micrometrics ASAP (Accelerated Surface Área and Porosimetry)

Área Especifica BET (m2/g) Analises texturais das zeólitas a partir das isotermas de adsorção de N2 Catalisador Área Especifica BET (m2/g) H-modernita 569 H-beta 530 HZSM-5 345 NaY 757 HNaY 729 CBV 760 592 CBV 780 678

Propriedades Texturais Geometria e Tamanho de poro

Isotermas de adsorção/dessorção de N2 (ciclo de histerese) Geometria e Tamanho de poro Isotermas de adsorção/dessorção de N2 (ciclo de histerese) I- adsorção (condensação de líquido nos poros) II- dessorção (evaporação de líquido nos poros) Geometria e tamanho de poros Sólidos mesoporosos e macroporosos II I

Geometria de poro Diferentes formas de histéresis corresponden a diferentes geometria de poros (Clasificación de de Boer) H1 materiais com poros regulares, de formato cilíndrico o poliédrico com as extremidades abertas. poros cilíndricos e abertos e fechados com estrangulações, morfologia tipo garrafa. poros com formato de cunha, cones ou placas paralelas. rp(raio de poro) < 1,3 nm com as dimensões da molécula do adsorbato, a morfologia dos proso não é definida H2 H3 H4

ln (P/P0) = 2.VM.  cos () rK.RT Tamanho de poro A evaporação de líquido nos poros é descrita pela Lei de Kelvin ln (P/P0) = 2.VM.  cos () rK.RT P  pressão de vapor do líquido na temp. T num poro de raio rK P0  pressão de equilíbrio do líquido na temp. T numa sup. plana   tensão superficial do líquido VM  volume molar do N2 líquido   ângulo de contato sólido-líquido

Métodos de elevada resolução espacial Método de adsorção gasosa Método intrusão de mercúrio Métodos térmicos Métodos de elevada resolução espacial

Método intrusão mercúrio Método para determinação de propriedades texturais 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1E+06 Pore Size (nanometers) Método por adsorción de gas porósimetría de mercurio Muito usado para caracterização dos sólidos macroporosos

Método intrusão mercúrio Mercúrio só entra nos poros baixo uma pressão crescente molhante Mercúrio rodeando a amostra Mercúrio entrando nos poros a altas pressões Não molhante

Propriedades Texturais Tamanho dos poros Inundando uma amostra do catalisador baixo uma quantidade limitada de mercúrio, posteriormente se aumenta hidraulicamente a pressão. Mercúrio livre = Mercúrio invadiu os poros = f (Paplicada) O volume de mercúrio é determinado pela diferença no nível de mercúrio Equipamento utilizado: Porosímetro Micrometrics Diâmetro poro de 0.7 mm – 60 Å Pressão de 0.17 - 2000 atm

Equação de Washburn relaciona o tamanho de poro Tamanho dos poros Equação de Washburn relaciona o tamanho de poro com a presão à qual o mercurio é forzado para penetrar ao poro P.r = - 2 g Cos q P = pressão de intrusão r = raio de poro, m g = tensão superficial do mercurio = 485 dynas/cm2 q = angulo de contacto > 90 grado (140)

Resultados Típicos

Métodos de elevada resolução espacial Método de adsorção gasosa Método intrusão de mercúrio Métodos térmicos Métodos de elevada resolução espacial

Métodos térmicos Análise Térmica Conjunto de técnicas que permite avaliar a mudança nas propriedades físicas e químicas dos materiais em função da temperatura. A analise térmica pode ser usado como método para a avaliação da estabilidade dos catalisadores. As medidas mais comuns são: entalpía, capacidade calorífica, massa e coeficente de expansão térmica.

Análise Térmica Análise Termogravimétrica (ATG) Analise termodiferencial (ATD)

Análise Termogravimétrica (ATG) Este análise estuda a variação de massa de uma substancia em função de uma programação de temperatura, normalmente linear com o tempo. A curva resultante fornece informações: Estabilidade térmica Composição da amostra inicial Possíveis intermediários formados no decorrer do experimento

Equipamento de Análise Térmica Mede de forma continua massa --- Balança ou sensor de massa Temperatura --------------------------- Termopar Aquecimento a velocidade constante

Exemplo ATG Termobalança Perkin-Elmer. TGA 7 A termobalança TGA 7 está equipada com uma ultramicro balança capaz de detectar câmbios de peso de ate 0.1 mg, com uma capacidade máxima de 130 mg. Se podem alcançar temperaturas de hasta 1000ºC, com velocidades de aquecimento entre 0.1-200ºC/min.

Exemplo Perfis de perda de massa das zeólitas (ATG)

Analise termodiferencial (ATD) Este análise é uma técnica onde a temperatura da amostra (Ta) é comparada com a de um material inerte de referencia (Tr), na medida que avanza o programa de aquecimento ou enfriamiento estabelecido. Material de referencia: Alfa-alumina

Análise Termodiferencial (ATD) T = Tr - Ta Evolução de calor, causarão um aumento temporário de Ta em relação à Tr, originando um pico exotérmico no gráfico ATD. Processos em que há absorção de calor causarão uma diminuição temporária de Ta em relação a Tr, dando origem a um pico endotérmico. T > 0 (Exotérmico) T < 0 (Endotérmico)

Efeitos de calor observados no DTA ENDOTÉRMICOS Transição de fase, fusão, dessorção, desidratação, redução, certas decomposições. EXOTÉRMICOS Cristalização, adsorção, oxidação, degradação oxidativa, óxido-redução, estado sólido.

Análise termodiferencial das zeólitas (ATD) Exemplo Análise termodiferencial das zeólitas (ATD) As analise termodiferencias das amostras apresentam apenas um largo pico endotérmico, no intervalo de 25 a 210ºC, que corresponde à perda de água adsorvida. A ausência de outros picos indica que todas as amostras são termicamente estáveis ate a temperatura de 1000ºC

Sítios ácidos e básicos Métodos de Temperatura Programada Estudo de sítios ativos TPR Sítios Métalicos Temp. Prog. de Redução Temp. Prog. de Oxidação TPO Sítios ácidos e básicos TPD Temp. Prog. de Dessorção Temp. Prog. de Adsorção TPA

Métodos de Temperatura Programada Estudo de sítios ativos O azul é o catalisador, os reagente chegam ao sitio ativo e ocorre a reação X representam os "sítios ativos" do catalisador

Sítios Metálicos Sítios Ácidos Métodos de Temperatura Programada Natureza dos sítios ativos Sítios Metálicos Sítios Ácidos Hidrogenação Craqueamento Isomerização Desidrogenação Esterificação Oxidação Alquilação Dissociação Radicalar Oligomerização Hidrogenólise

Natureza dos sítios ativos A quimissorção quantifica o numero de sítios ativos que provavelmente promovam a reação área superficial ativa H2 Sítios Metálicos Devido a que os sitios ativos são suficientemente reactivos e formar ligações químicas con ciertos gases. CO NH3 Sítios Ácidos CO2

Sítios Ácidos Propriedades Ácidas A acidez dos catalisadores pode ser determinado seguindo: Método da adsorção de piridina, com acompanhamento por FTIR Métodos a temperatura programada de adsorção, dessorção, redução e oxidação de moléculas de sondas (NH3 e CO2). (TPA, TPD, TPR, TPO) Métodos térmicos

Propriedades Ácidas Dessorção de a temperatura programada NH3 (TPD de NH3) O TPD de NH3 permite calcular a acidez total dos catalisadores, além da determinação da quantidade e a força dos sitos ácidos pelo valores dos picos, posição e forma respectivamente. A técnica pode distinguir sítios somente pela força ácida, não podendo diferenciar entre sítios do tipo Lewis ou Brönsted.

Propriedades Ácidas Amônia Dessorção de a temperatura programada NH3 (TPD de NH3) Amônia Excelente molécula sonda para a determinação das propriedades ácidas de catalisadores sólidos Forte característica básica Alem disso, a molécula possui pequenas dimensões (2,6 Å) Permitindo o acesso a sítios localizados em pequenos poros, que no caso da zeolita do tipo Y são do ordem de 8 Å.

Força do sítio ácido sobre o qual a base se adsorveu Propriedades Ácidas Dessorção de a temperatura programada NH3 (TPD de NH3) Temperatura de dessorção da amônia Força do sítio ácido sobre o qual a base se adsorveu ( Quanto maior a forma do sitio mais elevada é a temperatura de adsorção)

Propriedades Ácidas Chemisorption - ChemBET® 3000 TPR / TPD 

Perfis de TDP de NH3 das zeólitas Exemplo Perfis de TDP de NH3 das zeólitas Pico de baixa temperatura Pico de alta temperatura Faixa de temperatura de sítios ácidos fracos 150-200 ºC Faixa de temperatura de sítios ácidos fortes Acima de 350 ºC