4.2.2.1 Fluorescência de raios X (FRX)
A fluorescência de DRX foi utilizada para fazer a análise qualitativa e quantitativa dos elementos presentes na amostra, esteja ela em qualquer estado físico. Na primeira análise, são analisados praticamente todos elementos presentes na amostra. Com uma baixa precisão, são analisados elementos de massa atômica entre Ti e Ur, e entre Na e Sc. Na análise quantitativa, tem-se uma maior precisão, onde são identificados elementos mais pesados que o Na. Essa análise foi realizada em um equipamento da marca Shimadzu modelo EDX 720, no departamento de Engenharia de Materiais (DEMa/ UFSCar).
A amostra é colocada em um porta amostra de polipropileno, e é submetida sobre um feixe de radiação, gama (ou radiação X de elevada energia), essa radiação é gerada por um tubo de ródio, os átomos da amostra absorvem energia e adquirem um certo grau de excitação, e para retornar à sua estabilidade, o átomo emite elétron, ocorre então ionização do átomo, provenientes das camadas mais internas do átomo, geralmente das camadas K, L ou M, efeito esse chamado fotoelétrico. Quando o átomo sai do estado de excitação, são emitidos fótons provenientes de transições eletrônicas, um elétron de uma camada mais externa passa a ocupar orbitais em camadas mais internas, essas transições podem ser entre as camadas L → K, M → K ou M → L. Esse fenômeno de transição eletrônica é chamado de fluorescência, o qual emite espectro de energia que é correspondente a um único elemento, permitindo assim fazer a sua identificação (LAKOWICZ, 2006)
4.2.2.2 Difração de raios X (DRX)
A técnica de caracterização DRX foi utilizada para identificar as fases cristalinas presentes nos catalisadores sintetizados e para o cálculo do tamanho do cristalito.
As análises foram realizadas pelo método do pó no difratômetro Rigaku Multiflex com um ângulo de varredura (2θ) de 10 a 90o, a uma velocidade do
47 goniômetro de 2º/min e um tempo de integração de 2s por passo, utilizando a radiação Cu Kα (λ = 1,5442 Å).
A identificação foi realizada através da comparação entre a posição dos picos de difração obtidos e os picos das possíveis fases presentes utilizando o software X'Pert HighScore.
O método adotado para identificar as fases cristalinas foi o Método de Hanawalt, os passos seguidos são mostrados na Figura 4.1.
Figura 4.1 - Método de Hanawalt. (Kahn, 2013)
O tamanho do cristalito (dDRX) foi calculado pela equação de Scherrer,
48 dDRX = K λ. (BA2– BB2 )-1/2(cos θ)-1 (4.1)
Onde:
dDRX = tamanho médio dos cristalitos (nm);
K= 0,9. Fator da forma do cristal (assumiu-se que a partícula é esférica); λ= 1.5442 Å. Comprimento de onda da radiação utilizada;
Θ = ângulo de Bragg, a posição do pico da difração;
BA e BS = largura da meia altura em radianos do pico de difração da amostra e do
padrão de quartzo (SiO2), respectivamente.
4.2.2.3 Redução com H2 à temperatura programada (TPR)
A técnica de TPR fornece várias informações como: as espécies redutoras presentes, a temperatura de redução e a força de interação entre os metais. Baseia- se na associação entre o consumo de hidrogênio (agente redutor) e as espécies oxidadas presentes na amostra, quando esta é submetida a um aquecimento a temperatura programada.
As análises foram realizadas no equipamento Micromeritics AutoChem 2920. Foi utilizado 30mg das amostras calcinadas; estas foram primeiramente tratadas com N2 por 30 min a 200ºC para secagem e remoção de contaminantes.
Posteriormente, o forno foi resfriado e as amostras foram reduzidas a uma vazão de 30 mL.min-1 de 10%H2/N2, rampa de aquecimento de 10ºC.min-1 até atingir 1000ºC.
4.2.2.4 Área superficial específica (BET)
A área específica dos catalisadores foi determinada através do método BET, a partir de dados da isoterma de adsorção de N2. Utilizou-se o aparelho
QuantaChrome Nova 1200. As amostras foram pré-tratadas a 200oC, sob vácuo por
49
4.2.2.5 Quimissorção de N2O - Medida de dispersão e de área superficial
do Cu0
Essa análise consiste em passivar o metal com N2O a fim de fornecer duas
informações: área metálica e dispersão do cobre. As análises foram feitas no mesmo equipamento utilizado na técnica de TPR (Micromeritics AutoChem 2920). Foram utilizados 0,03 g de amostra, que foi tratada sob fluxo de N2 (30 mL.min-1) a 100ºC,
por 1h. Em seguida, foram resfriadas até a temperatura ambiente e submetidas à redução com mistura de 10% H2/N2 sob fluxo de 30 mL.min-1 em uma rampa de
temperatura 10ºC.min-1 até 450ºC. Esta etapa é denominada redução 1 (TPR1).
Realizada essa etapa, as amostras foram resfriadas com N2 e posteriormente
‗oxidadas‘ com fluxo de 30 mL.min-1 de N
2O a 60ºC por 1 hora, etapa essa onde
ocorre a adsorção do gás na superfície. Feito isso, outra etapa de redução é realizada, e a amostra é então reduzida com uma mistura de 5% H2/N2 sob fluxo de
30 mL.min-1 e rampa de 10ºC.min-1 até 600ºC, esta última etapa é chamada de
redução 2 (TPR2).
A dispersão do Cu sobre a rede de óxidos é dada pelo número de mols de Cu exposto por mol de Cu total. Assim, o cálculo é feito pelo número de moles de cobre metálico produzido no segundo TPR, ou seja, duas vezes o número de moles de hidrogênio consumido, pelo número de moles de Cu0 do primeiro TPR, que por sua vez é igual ao número de moles de hidrogênio consumido. Considera-se que no primeiro TPR ocorre redução de Cu+2 para Cu0 e no segundo de Cu+1 para Cuo, já que a oxidação do óxido nitroso é apenas superficial, conforme é mostrado na Equação 4.2 (JENSEN; JOHANNESSEN; LIVBJERG, 2004).
N2O + Cu ↔ Cu2O + N2 (4.2)
Onde:
1a redução: CuO + H2°→ Cu0 +H2O
2 a redução: Cu2O +H2→ 2 Cu 0 + H2O
Com a dispersão, calcula-se a área metálica (SACu) conforme a Equação 4.3,
50 SACu = 6,4955.10-2. C. D (m2 gcat-1) (4.3)
Onde:
C = teor mássico de Cu no catalisador D=dispersão metálica
4.2.2.6 Difração de raios X in situ (DRX in situ)
A análise de difração de raios x in situ permite identificar as fases, as mudanças estruturais e o tamanho do cristalito ao longo da redução e/ou reação. Esta técnica foi realizada no Laboratório Nacional de Luz do Síncroton (LNLS) – Campinas/SP, na Linha XPD - D10B. Utilizou-se a radiação Cu-Kα, resolução 4.3 eV, com um ângulo de varredura de 10 a 90o.
A amostras CuZnAl/6:3:25 e Cu:ZnAl:Ce/6:3:1:1 foram reduzidas com H2, in
situ, e aquecidas, simultaneamente, de 25 a 350ºC a 10ºC.min -1 e mantidas a
350ºC durante 30 minutos. Após a redução, alimentou-se o reator com uma razão molar de alimentação CO: H2O igual a 1:5 a 350oC, durante 30 minutos. Foram
obtidos difratogramas durante todos esses procedimentos.
4.2.2.7 Análise Termogravimétrica (TG)
A análise termogravimétrica permite identificar o perfil de decomposição das amostras CuZnAl/6:3:1, CuZnAl/6:3:6 e CuZnAlCe/6:3:1:1. Esta técnica foi realizada no Instituto de Química da Universidade de São Paulo/ São Carlos, SP, utilizou-se uma termo balança SDT Q600 da marca TA Instruments. As amostras foram aquecidas a 25 a 1000ºC sob um fluxo de 30mL/min de ar.