OTIMIZAÇÃO DA SÍNTESE DE CATALISADORES NI/CEO2 PARA METANAÇÃO DE CO2

Matheus Silva de Assis; Luiz Gustavo Possato

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Trabalho

Título do Trabalho

OTIMIZAÇÃO DA SÍNTESE DE CATALISADORES NI/CEO2 PARA METANAÇÃO DE CO2

Autores

Matheus Silva de Assis
Luiz Gustavo Possato

Modalidade

Resumo

Área temática

Química dos Materiais

Data de Publicação

23/01/2026

País da Publicação

Brasil

Idioma da Publicação

pt-BR

Página do Trabalho

https://www.even3.com.br/anais/virtppgctm-571248/1401572-otimizacao-da-sintese-de-catalisadores-niceo2-para-metanacao-de-co2

ISBN

978-65-272-2157-9

Palavras-Chave

Catalisadores Ni/CeO2, Coprecipitação, Planejamento Experimental, Metanação de CO2, Cinética

Resumo

As concentrações atmosféricas de dióxido de carbono (CO2) continuam a atingir níveis recordes, impulsionadas principalmente pela queima de combustíveis fósseis e pela degradação dos ecossistemas naturais. Segundo dados recentes da Administração Nacional Oceânica e Atmosférica (NOAA), a concentração média global de CO2 em 2024 alcançou 422,8 ppm, o valor mais alto já registrado, com um aumento anual de aproximadamente 3,75 ppm, o maior desde o início das medições. Esse cenário agrava o desequilíbrio climático global e reforça a urgência de desenvolver soluções tecnológicas capazes de reduzir as emissões e, simultaneamente, valorizar o próprio CO2 como insumo químico. Em resposta a essa necessidade, iniciativas como os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS), em especial o ODS 13 (ação contra a mudança global do clima), e conferências internacionais, como a COP30, têm ressaltado a importância de acelerar a transição energética por meio de tecnologias limpas e de baixo carbono. Entre as estratégias promissoras, destaca-se a conversão catalítica do CO2 em compostos de maior valor agregado, como o metano (CH4). Apesar de também ser um gás de efeito estufa, o CH4 possui tempo médio de vida atmosférica de cerca de nove anos, muito inferior ao do CO2, que pode persistir por séculos. A reação de Sabatier, baseada na hidrogenação do CO2 com H2 para formação de CH4, é uma rota termoquimicamente favorável (ΔH = –165 kJ mol-1) e apresenta elevado potencial de integração com fontes renováveis de hidrogênio. Entretanto, sua eficiência depende da presença de catalisadores metálicos capazes de reduzir as barreiras energéticas e atuar sob condições brandas de operação. Nesse contexto, catalisadores de níquel suportados em óxido de cério (Ni/CeO2) destacam-se por sua alta atividade, seletividade e estabilidade, atribuídas à forte interação metal–suporte e à capacidade do CeO2 em ativar o CO2 por meio de vacâncias de oxigênio. O desempenho catalítico, contudo, está diretamente relacionado aos parâmetros de síntese. Assim, o uso de ferramentas estatísticas como o planejamento experimental composto central (Central Composite Design, CCD) permite otimizar as variáveis e identificar condições de síntese mais eficientes com menor número de ensaios experimentais. O presente trabalho teve como objetivo otimizar os parâmetros de síntese de catalisadores Ni/CeO2 preparados pelo método da coprecipitação, utilizando o CCD com rotatabilidade α = 1,682. Foram avaliadas três variáveis principais: razão mássica Ni/Ce (3%, 6% e 9%), temperatura de calcinação (500 ºC, 600 ºC e 700 ºC) e temperatura de reação (200 ºC, 300 ºC e 400 ºC). A matriz experimental foi composta por 17 ensaios, incluindo oito pontos fatoriais, seis pontos axiais e três pontos centrais. A resposta avaliada foi a taxa de produção de CH4 (mmol CH4 h-1 gcat-1). Os catalisadores foram sintetizados a partir da adição controlada de soluções aquosas de Ce(NO3)3.6H2O e Ni(NO2)3.6H2O sob agitação constante. O pH foi ajustado para 9 com NH4OH, mantendo-se a agitação por 2 h após a adição dos sais. O precipitado foi separado por centrifugação (3000 rpm, 10 min), seco em estufa (110 ºC, 24 h) e calcinado nas temperaturas estabelecidas por 2 h a 3 ºC min-1. A partir do modelo estatístico obtido, foram selecionados dois catalisadores para análises comparativas: o Ni/Ce-Opt, correspondente às condições otimizadas, e o Ni/Ce-Comp, preparado sob parâmetros distintos. Os testes catalíticos foram realizados em um reator de leito fixo de vidro (10 mm de diâmetro interno) sob pressão atmosférica. As amostras (100 mg) foram previamente ativadas sob fluxo de H2 (40 mL min-1, 400 ºC, 1 h). A mistura reacional foi composta por CO2 (10 mL min-1), H2 (40 mL min-1) e N2 (10 mL min-1), resultando em uma velocidade espacial de 36000 mL h-1 g-1. Os produtos foram analisados por cromatografia gasosa (CG) detectados por TCD. As conversões de CO2 e seletividades dos produtos foram obtidas a partir das áreas integrais dos picos cromatográficos e normalizadas pela composição da alimentação. O modelo de superfície de resposta apresentou boa concordância entre valores observados e previstos (R² = 0,831), confirmando sua adequação estatística. A condição ótima determinada foi uma razão Ni/Ce de 10% e temperatura de calcinação de 500 ºC, correspondendo ao catalisador Ni/Ce-Opt. Ambos os catalisadores apresentaram seletividade de 100% para CH4. O Ni/Ce-Opt exibiu conversão máxima de CO2 de aproximadamente 92% a 300 ºC, valor próximo ao limite termodinâmico de equilíbrio (94%). Mesmo em temperaturas mais baixas, como 200 ºC, manteve conversão elevada (~70%). Em comparação, o Ni/Ce-Comp atingiu conversão máxima de 80% apenas a 350 ºC. As taxas de reação normalizadas por massa corroboraram os resultados observados nas conversões. O Ni/Ce-Opt apresentou taxa de 179,6 µmol g-1 s-1, superior à do Ni/Ce-Comp (155,5 µmol g-1 s-1). A energia de ativação aparente (Ea) obtida foi de 73,67 kJ mol-1 para o Ni/Ce-Opt e 105,78 kJ mol-1 para o Ni/Ce-Comp, indicando que o catalisador otimizado requer menor energia para promover a conversão de CO2. A temperatura de calcinação mostrou-se um parâmetro determinante para o desempenho catalítico, influenciando a dispersão metálica, a formação de vacâncias de oxigênio e a interação metal–suporte. O valor reduzido de Ea para o Ni/Ce-Opt é inferior aos comumente relatados na literatura para catalisadores de Ni aplicados à metanação de CO2, evidenciando a relevância da otimização das condições de síntese. O uso do CCD demonstrou ser uma ferramenta eficaz para o desenvolvimento racional de catalisadores, permitindo a identificação de condições ideais de preparo e o mapeamento do domínio experimental de forma eficiente. O catalisador Ni/Ce-Opt apresentou desempenho superior, atingindo conversão próxima ao equilíbrio termodinâmico, seletividade total e menor energia de ativação aparente. Esses resultados destacam o potencial dos catalisadores Ni/CeO2 otimizados para aplicações em processos de valorização do CO2, contribuindo para a mitigação das emissões e a promoção de uma economia de carbono circular.

Título do Evento: 6ª Reunião Técnica do Programa de Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais
Cidade do Evento: Presidente Prudente
Título dos Anais do Evento: Anais da 6ª Reunião Técnica do Programa de Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais
Nome da Editora: Even3
Meio de Divulgação: Meio Digital

Como citar

ASSIS, Matheus Silva de; POSSATO, Luiz Gustavo. OTIMIZAÇÃO DA SÍNTESE DE CATALISADORES NI/CEO2 PARA METANAÇÃO DE CO2.. In: Anais da 6ª Reunião Técnica do Programa de Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais. Anais...Presidente Prudente(SP) UNESP, 2025. Disponível em: https//www.even3.com.br/anais/virtppgctm-571248/1401572-OTIMIZACAO-DA-SINTESE-DE-CATALISADORES-NICEO2-PARA-METANACAO-DE-CO2. Acesso em: 13/03/2026