Emprego de óxidos do tipo perovskita LaCo1-xVxO3 na
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Emprego de óxidos do tipo perovskita LaCo1-xVxO3 na
Emprego de óxidos do tipo perovskita LaCo1-xVxO3 na reação de oxidação preferencial do monóxido de carbono (PROX). Nícolas José P. Santosa, Carlos Alberto Chagasb, Martin Schmalb e *Robert Newton S. H. Magalhãesa a GPMAC – Grupo de Pesquisa em Materiais e Catálise/Departamento de Química/Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia (IFBA) ,Salvador, Bahia, Brasil b NUCAT – Núcleo de Catálise/COPPE/ Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Rio de Janeiro/RJ, Brasil *E-mail: [email protected] RESUMO Óxidos do tipo perovskita LaCo1-xVxO3 (x= 0,0, 0,05 e 0,10) foram preparados pelo método citrato, caracterizados por FRX, DRX, TPR, SEM e avaliados na reação oxidação Preferencial do CO (PROX). A metodologia de síntese empregada favoreceu a formação de perovskita com estrutura romboédrica e sem segregação de fases para as amostras contendo até 5% de vanádio. Foram obtidos sólidos com valores de área específica inferiores a 15 m2 g-1. A inserção do vanádio promoveu uma modificação na morfologia e porosidade da amostra sugerindo uma ação textural. Os perfis de TPR apresentaram picos característicos atribuídos à redução Co+3→ Co+2 → Co0. A incorporação do vanádio também alterou a resistência à redução quando comparado à amostra de referência LaCoO3. Este efeito é mais pronunciado nos primeiros estágios de redução, o que influencia bastante nos resultados de atividade catalítica. Todas as perovskitas foram ativas para reação PROX. As perovskitas avaliadas são promissoras para emprego na reação PROX em temperaturas inferiores a 250° C. Estes sistemas apresentaram melhores resultados de atividade catalíticos se comparados aos típicos materiais suportados. Palavras-chave: Perovskitas, Cobalto, Vanádio, PROX. ABSTRACT Perovskite-type oxides LaCo1-xVxO3 (x = 0.0, 0.05 and 0.10) were prepared by citrate method, characterized by XRF, XRD, TPR, MEV and evaluated in the Preferential CO oxidation reaction (PROX). The employed synthetic methodology favored perovskite formation with rhombohedral structure without phase segregation for samples containing up to 5% vanadium. Solids were obtained with specific area values less than 15 m2 g-1. The insertion the vanadium promoted a change in morphology and porosity of the sample suggesting a textural action. The TPR profiles showed characteristic peaks attributed to the reduction Co+3→ Co+2 → Co0. These profiles also changed the resistance to reduction when compared to the reference sample LaCoO3. This effect was most pronounced in the early stages reduction which greatly influences the catalytic activity results. All perovskites were active for PROX reaction. The evaluated perovskites are promising for use in the PROX reaction at temperatures below 250 ° C. These systems performed better catalytic activity compared to typical supported materials. Keywords: Perovskites, Cobalt, Vanadium, PROX. 1 1. Introdução A reação de oxidação Preferencial do monóxido de carbono (PROX) é uma das via mais promissora para purificar correntes ricas em hidrogênio para emprego em células a combustível do tipo PEM [1-3]. A maioria dos catalisadores empregados na reação PROX é composta de metais nobres como Pt, Rh, Pd e Au, sendo Pt/Al2O3 o catalisador comercial [4, 5]. Entretanto, esses metais apresentam custo elevado. Dessa forma, alguns autores apontam para a necessidade de substituílos por metais não nobres como, por exemplo, cobre e cobalto [4,6]. Existem muitos trabalhos na literatura empregando óxidos mistos CuO-CeO2 na reação PROX [7,8]. Sistemas contendo cobalto também têm destaque, sobretudo espécies Co3+ coordenados octaedricamente, o qual, evidenciou-se ser a forma ativa em reações de oxidação [6,9]. Além disso, esta espécie de cobalto é a forma mais estável na posição de um cátion B em óxidos tipo perovskitas. O uso de metais de transição em óxidos do tipo perovskita vem despertando grande interesse científico já que esses materiais apresentam características peculiares em função de uma grande variedades de propriedades que são atribuídas à capacidade de substituição dos cátions em sua estrutura, gerando sólidos isoestruturais com fórmula geral A1-xAx’B1-yBy’O3-δ [8,9]. Essas substituições têm influenciado significativamente na atividade catalítica destes materiais frente aos típicos materiais suportados. Catalisadores mistos contendo vanádio vêm sendo estudado na oxidação parcial do propano e sua utilização tem sido justificada pelas propriedades redox do vanádio e por sua capacidade de alterar a densidade eletrônica de outras espécies presentes no catalisador [10, 11]. Uma possível interação do vanádio com o cobalto pode alterar a densidade eletrônica das espécies de cobalto e, consequentemente, influenciar no comportamento catalítico deste material. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da substituição parcial de cobalto por vanádio nas propriedades estruturais e catalíticas de óxidos tipo perovskita LaCo1-xVxO3 (x=0,0, 0,05 e 0,10), empregando-os na reação de oxidação preferencial do monóxido de carbono. 2. Experimental 2.1. Preparação dos Catalisadores Os catalisadores tipo perovskita LaCo1-xVxO3 (x=0,0, 0,05 e 0,10) foram sintetizados utilizando o método do citrato amorfo [12,13]. A síntese consistiu na preparação de soluções aquosas equimolares de nitrato de lantânio (La(NO3)3.6H2O), vanadato de amônio (NH4VO3) e nitrato de cobalto (Co(NO3)3.6H2O), seguida pela adição de solução de ácido cítrico. A solução foi homogeneizada durante 10 minutos e, posteriormente, aquecida a uma temperatura de 90°C por aproximadamente 3 h, para completa evaporação da água e a formação do sólido esponjoso, característica dos citratos metálicos. Após o aquecimento, o sólido foi colocada em estufa a uma temperatura de 120 °C durante 48 h para secagem. O sólido foi calcinado a 600°C durante 4 h a uma taxa de 10 °C/min. Seguindo esta metodologia, foram preparadas as seguintes perovskitas: LaCoO3, LaCo0,95V0,05O3 e LaCo0,90V0,10O3, nomeadas, respectivamente, como LC, LCV5 e LCV10. 2.2. Caracterização dos Catalisadores Os teores lantânio, cobalto e vanádio das amostras foram determinados pela Fluorescência de raios X (FRX) em um espectrômetro Rigaku modelo RIX 3100, com o tubo de ródio. As medidas de área específica foram determinadas por fisissorção de N2 empregandose o método BET. As análises foram realizadas em equipamento ASAP modelo 2020 da Micromeritics. As medidas de difratometria de raios X (DRX) foram efetuadas em um difratômetro Rigaku modelo Miniflex, com radiação CuKα (λ =1,5418 Å) na faixa de 10° < 2θ < 90° com passo 0,05° e tempo de contagem de 1 segundo por passo. Os teste de TPR, foram realizados em um equipamento padrão em que cerca de 20 mg de amostra foram pré-tratadas a 200 °C por 30 minutos, sob corrente de argônio, com o objetivo de remover impurezas. As amostras foram então resfriadas até a temperatura ambiente e submetidas à mistura redutora de 1,7% H2/Ar (30 mL min-1) aumentando-se a temperatura até 1000 °C. As análises de microscopia eletrônica de varredura com tensão máxima de operação de 30 kV e resolução nominal de 1,2 nm em alto vácuo em SE (elétrons secundários). A tensão utilizada para a maior parte das análises dos materiais estudados foi de 20 kV e as imagens foram XXV Congreso Iberoamericano de Catálisis3 adquiridas utilizando o detector de SE. Não foi necessário fazer qualquer espécie de tratamento como recobrimento para obtenção das imagens (8). Os cálculos de conversão de CO, O2 e seletividade a CO2 foram realizados utilizando-se as equações descritas em 1, 2 e 3, respectivamente. Conversão de O2 = Seletividade a CO2 = [CO] e [CO] s x 100 Tabela 1. Resultados da análise Química (FRX) para as perovskitas calcinadas a 600 °C. La (%) Amostras (1) [CO]e [O2 ] e __ [O2] s __ [CO] s _ [CH4 ]s) [O2 ]e __ V (%) Real Teórico Real Teórico Real 58,10 56,50 25,06 23,97 - Teórico - LaCV5 58,59 56,60 23,16 22,81 1,03 1,04 LaCV10 58,40 56,69 21,91 21,64 2,04 2,08 (2) x 100 [O2] e 0,5 x ([CO] e Co (%) LC x 100 (3) [O2] s Em que: e = entrada e s = saída 2.3. Avaliação dos Catalisadores As perovskitas foram avaliadas em testes catalíticos à pressão atmosférica utilizando um microreator de vidro pyrex em forma de “U”. A reação foi estudada variando-se, em um primeiro momento, uma ampla faixa de temperatura (50 a 300 °C) com variação de 50°. Foi utilizada uma composição ideal composta de uma mistura de 1% de CO, 1% de O2, 60% de H2 e balanço de inerte. Foi utilizado um cromatógrafo Varian Modelo 3800, equipado com um detector de condutividade térmica (TCD) e metanador seguido de detector de ionização de chama (FID), ligados em série. As colunas poraplot-Q e peneira molecular ligadas em paralelo foram utilizadas para a separação dos gases. A quantidade mínima de CO detectável é de 10 ppm. Os catalisadores foram submetidos a um pré-tratamento que consistiu de uma simples secagem com inerte (N2) a 200 °C a fim de eliminar H2O e impurezas gasosas adsorvidas. Os difratogramas de raios X dos óxidos calcinados a 600 °C são apresentados na Figura 1. Os perfis de difração de todos os óxidos, obtidos pelo método citrato, apresentaram picos características da estrutura perovskita cristalina, com célula unitária romboédrica e grupo espacial R-3c (JCPDS 48-0123). Os perfis de difração para as amostras LC, LCV5 e LCV10 indicaram que a temperatura de calcinação utilizada foi apropriada para formar a estrutura cristalina e sem segregação de fases indicando que 5% de vanádio foi completamente inserido na rede da perovskita. p LCV10 p p p V V Intensidade (u.a.) Conversão de CO = __ queima do material em um único estágio contribuiu para obtenção dos óxidos com teores desejados. p p p p p LCV5 LC 0 20 40 60 80 2θ (graus) 3. Resultados e discussão Figura 1. Resultados de difração de raio X para as perovskitas calcinadas a 600 °C (p= LaCoO3, v= V2O5). Os teores de lantânio, cobalto e vanádio estão apresentados na Tabela 1. Pode-se verificar que os teores reais estão próximos aos valores nominais (admitindo um erro experimental de 5%), indicando a eficiência do método citrato na síntese dos materiais com os teores desejados. Embora tenha ocorrido perda de material no processo de calcinação, observa-se que a mesma não influenciou nos teores finais das amostras. Isso mostra que o procedimento de Os perfis de difração para a amostra LCV10 apresentaram, além de picos características da estrutura perovskita, picos atribuídos ao V2O5 (JCPDS 41-1426) [10]. Na Tabela 2 estão apresentados os valores de área específica. Pode-se observar que a incorporação de 5% de vanádio elevou o valor de área específica em relação à amostra não substituída. Contudo, a adição de mais vanádio causou um decréscimo na área. Este fato pode ser atribuído à segregação fases como o XXV Congreso Iberoamericano de Catálisis4 pentóxido de vanádio que pode estar interferindo na porosidade sidade ou agindo no bloqueio dos poros. temperatura em que será utilizado no teste catalítico. Catalisador LC LCV5 LCV10 Sg (m2 g) 4 15 10 As perovskitas sintetizadas pelo método do citrato apresentam, em sua maioria, valores baixos de área específica, este fator está diretamente relacionado às elevadas temperaturas de calcinação, necessárias para decompor os complexos e formar a estrutura [14]. Os perfis de TPR dos catalisadores catalisado são apresentados na Figura 2.. Observa-se Observa que os perfis de redução foram alterados pela incorporação do vanádio à rede da perovskita. Também foi observado que houve deslocamento de pico de redução em função da adição do vanádio. Para a amostra não substituída, verificaverifica se que o processo de redução inicia-se inicia em torno de 400 °C enquanto para as amostras amostra contendo vanádio (5% e 10% ), este processo começam em 250°C. A amostra LaCoO3 apresentou dois picos distintos de consumo de hidrogên hidrogênio, 3+ característico da redução Co para Co2+ e Co2+ para Co0 [15, 16]. Para as amostras tras contendo vanádio esse primeiro pico de redução, redução atribuído à redução do Co3+ para Co2+, é deslocado para temperatura mais baixa, indicando que um efeito promotor do vanádio na redutibilidade do cobalto. Estes resultados de TPR sugerem que a incorporação do vanádio diminuiu a resistência à redução do Co3+, quando comparado à perovskita não substituída. Um pico menos intenso em temperaturas superiores a 800 °C é atribuído é redução do V2O5 [11]. A estabilidade das perovskitas em atmosferas redutoras é um parâmetro importante para a reação de interesse, pois não é desejável haver completa ta redução de espécies de cobalto no meio reacional uma vez que estas espécies mais reduzidas podem catalisar reações paralelas indesejáveis [17].. Contudo, verifica-se verifica que o mecanismo mais provável para esta reação envolve um ciclo redox [13, 18] e, neste sentido, a adição do cobalto to está facilitando a formação de espécies mais reduzidas na faixa de Intensidade (u.a.) Tabela 2. Resultados da área específica (BET). (BET) LCV10 LCV5 LC 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperatura (° (°C) C) Figura 2. Perfil de TPR das perovskitas LC, LCV5 e LCV10,, preparadas pelo método do citrato e calcinas a 600°C. A morfologia das partículas é analisada nas micrografias afias apresentadas nas Figuras 3, 3 4 e 5. As imagens mostram formação de aglomerados constituídos de partículas com diferentes morfologias. Figura 3. Micrografias daa amostra LC sintetizado pelo método do citrato e calcinado a 600°C. Através da imagem foi possível verificar que a incorporação do vanádio alterou significativamente a morfologia das amostras. Neste caso, pode ser observada a formação de porosidade na microestrutura das perovskitas substituídas. LC sintetizado Figura 4. Micrografias da amostra LCV5 pelo método do citrato e calcinado a 600°C. XXV Congreso Iberoa eroamericano de Catálisis5 Intensidade (u.a.) Após o processo de síntese, verificou-se verificou que a incorporação do vanádio também alterou a densidade do material. Estes dados estão de acordo com os resultados de área apresentados, o qual mostrou que a incorporação do vanádio alterou significativamente a área específica e, desta forma, sugere-se se que houve uma promoção textural com a incorporação do vanádio. Obtendo-se, se, assim, um material mais poroso. Os perfis de TPSR de todos os catalisadores são apresentados nas Figuras 6, 7 e 8. 8 Os perfis de TPSR podem ser divididos em três grandes regiões descritas como 1, 2 e 3: A Região 1 corresponde à reação de PROX– Verifica-se se nesta região a formação de CO2 através da reação PROX. A faixa de temperatura que favorece esta reação varia em função do teor de vanádio adicionado na perovskita: LC - A reação SELOX-CO CO ocorre numa faixa de temperatura entre 100 e 280 °C e nesta região há consumo total de oxigênio indicando, pela estequiometria, que no final desta etapa ocorre à reação ção de oxidação do hidrogênio. Este E fato é comprovado pois há aumento no sinal da água no final desta região. Cabe ressaltar que não foi possível monitorar o consumo de hidrogênio. devido à sua alta concentração em relação ao outros compostos. Uma ma vez que a relação estequiométrica CO/O2 é de 1/0,5 e foi utilizado neste trabalho a relação 1/1, o excesso de O2 que não foii consumido pelo CO foi usado para oxidar o H2 que é indicado pela formação de água [19]. LCV5 – A adição de 5% de vanádio na rede da perovskita deslocou essa faixa para temperaturas mais elevadas (120 120 a 300 °C). LC10 – A adição de 10% de vanádio na rede desta perovskita deslocou essa faixa de temperatura para temperaturas inferiores, se comparado às duas amostras anteriores. A região2 corresponde à reação de oxidação do hidrogênio – Parte do oxigênio excedente, que não reagiu com CO, reage com hidrogênio para formar, água como pode ser LC CO2 CO 1 2 O2 3 H2O CH4 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Temperatura (°C) Figura 6. Perfis de TPSR para a amostra LC. CO2 LCV5 CO Intensidade (u.a.) Figura 5. Micrografias da amostra LCV10 V10 sintetizado pelo método do citrato e calcinado a 600°C. visto nos perfis de todos os catalisadores nesta faixa de temperatura. Para a amostra LC5, observa-se se comportamento distinto, com formação de água entre 300 e 400 °C. Para as demais amostras, esta sta faixa de temperatura temperat não varia muito em função do teor de vanádio adicionado. Não se pode descartar a ocorrência da reação de SHIFT nesta faixa de temperatura. A Região 3 corresponde orresponde à reação de metanação – Nesta região se verifica a reação de formação de metano.. A adição de vanádio influenciou na formação de metano. De um modo geral, a adição de vanádio deslocou o pico atribuído à formação de metano para temperatura mais baixas (em ( torno de 400 °C). Esta é uma reação indesejável pela grande quantidade de hidrogênio consumido consumi se comparado à reação de oxidação do hidrogênio. 1 2 3 O2 H2O 50 100 150 200 250 300 350 CH4 400 450 500 Temperatura (°C) Figura 7. Perfis de TPSR para a amostra LCV5. Os resultados de conversão do monóxido de carbono ono são apresentados na Figura 9. 9 Em toda faixa de temperatura testada, verifica-se verifica que os catalisadores que contém vanádio na estrutura apresentam resultados de conversão superiores ao catalisador não substituído. substituíd Este resultado é mais significativo para a amostra contendo 10 % XXV Congreso Iberoa eroamericano de Catálisis6 de vanádio que alcançou a 250 °C uma conversão de 90%. CO2 LCV10 1 3 2 O2 100 O2 conversion (%) Intensidade (u.a.) CO H2O CH4 50 100 150 200 250 300 350 400 450 verifica-se que a seletividade foi inversamente proporcional ao teor de vanádio. 80 60 40 20 0 500 50 Temperatura (°C) 40 20 0 100 150 200 200 250 300 250 300 Temperatura (°C) Figura 9. Conversão de CO em função da temperatura para as perovskitas LC, LCV5 e LCV10, preparadas pelo método do citrato e calcinas a 600°C. Os resultados de consumo de oxigênio são apresentados na Figura 10. Observa-se consumo de oxigênio em temperaturas que variam em função da presença de vanádio no catalisador. Todas as amostras apresentaram consumo acima de 50% em temperaturas que variaram em função do teor de vanádio adicionado. Observase que a amostra mais substituída apresentou consumo de oxigênio mais elevado que os demais. Este fato evidencia que, pela estequiometria, a reação competitiva entre a oxidação do CO e H2 se inicia em temperaturas mais baixa para estes catalisadores. todos os catalisadores apresentaram máximo consumo de oxigênio de 90% a 300 °C. Os resultados de seletividade indicaram resultados distintos em função da presença de vanádio. o catalisador sem vanádio apresentou o melhor resultado de seletividade em temperaturas superiores a 150 °C quando comparados aos demais. De um modo geral, Esta queda acentuada na seletividade evidencia que a reação de oxidação do hidrogênio (que é a principal reação paralela). Não foi verificado formação de metano na faixa de temperatura empregada. Entretanto, estudos anteriores para alguns destes catalisadores (não apresentados) indicaram formação de metano em temperaturas superiores a 400 °C, semelhante ao que foi verificado nos perfis de TPSR [20]. De um modo geral, a inserção do cobalto em uma estrutura perovskita desfavoreceu a formação do metano uma vez que este composto foi obtido em temperaturas mais elevadas, se comparado aos típicos materiais suportados. LC LCV5 LCV10 100 CO2 Selectivity (%) CO conversion (%) 60 50 150 Figura 10. Conversão de O2 em função da temperatura para as perovskitas LC, LCV5 e LCV10, preparadas pelo método do citrato e calcinas a 600°C. LC LCV5 LCV10 80 100 Temperatura (°C) Figura 8. Perfis de TPSR para a amostra LCV10. 100 LC LCV5 LCV10 80 60 40 20 0 50 100 150 200 250 300 Temperatura (°C) Figura 11. Seletividade para CO2 em função da temperatura para as perovskitas LC, LCV5 e LCV10, preparadas pelo método do citrato e calcinadas a 600°C. Estes resultados sugerem que o óxido de vanádio segregado contribuiu para a atividade catalítica da amostra LCV10. uma vez que é esperado uma baixa atividade do pentóxido de vanádio na reação PROX, o que se verifica é que o XXV Congreso Iberoamericano de Catálisis7 vanádio favoreceu a redução do cobalto e espécies mais reduzidas de cobalto podem favorecer a reação de interesse e também reações paralelas, como a oxidação do hidrogênio. este fato justifica a queda na seletividade para os catalisadores mais substituídos. Magalhães et al [2, 20] empregaram perovskitas contendo cobalto utilizando cério e estrôncio como substituinte e verificaram que o cério interferia na redutibilidade do cobalto, o que influenciou no desempenho catalítico destes materiais. Em relação aos catalisadores suportados, WOODS et al. [23], empregando um sistema catalítico tipo CoOx/CeO2 e utilizando diferentes condições de reação, verificou que estes catalisadores são efetivos para oxidar seletivamente o monóxido de carbono, numa carga rica em hidrogênio em temperaturas inferiores a 200°C. Acima desta temperatura são favorecidas outras reações como oxidação do hidrogênio e metanação (a 275°C). 4. Conclusões Verificou-se que o método do citrato foi adequado para preparar óxidos com estrutura do tipo perovskita favorecendo a formação de sólidos cristalinos, sem segregação de fases para a perovskita de referência e contendo 5 % de vanádio. A inserção de 10% de vanádio favoreceu a formação da estrutura perovskita com segregação de V2O5. De um modo geral, a inserção do vanádio promoveu uma modificação na morfologia e porosidade da amostra sugerindo uma ação textural. A incorporação do vanádio também alterou a resistência à redução quando comparado à amostra de referência LaCoO3. Este efeito é mais pronunciado nos primeiros estágios de redução, o que influencia bastante nos resultados de atividade catalítica. Todas as perovskitas foram ativas para reação de oxidação preferencial do monóxido de carbono. Verificou-se que os catalisadores que contém vanádio na estrutura apresentam resultados de conversão superiores ao catalisador não substituído. Este resultado é mais significativo para a amostra contendo 10% de vanádio que alcançou a 250 °C uma conversão de 90%. Entretanto, esses catalisadores foram menos seletivos se comprado ao catalisador de referência. As perovskitas avaliadas são promissoras para emprego na reação PROX em temperaturas inferiores a 250° C. Estes sistemas apresentaram melhores resultados de atividade catalíticos se comparados aos típicos materiais suportados e não foi verificado formação de metano numa temperatura inferior a 300 °C. 5. Agradecimentos Os autores agradecem à PRPGI/IFBA e FAPESB pela bolsa concedida e a FAPERJ, CNPq e FINEP pelo apoio financeiro. 6. Referências 1. C. Chen, R. Wang, P. Shen, D. Zhao, N. Zhang , International Journal of Hydrogen Energy. 40 (2015) 4830-4839. 2. M. Schmal, C.A. Perez, , R.N.S.H Magalhães. Topics in Catalysis 57 (2014) 1103-1111. 3. J. Wang, L. Deng, D. He, J. L, S. He, S. He, Y. Luo. international journal of hydrogen energy 40 (2015) 12478-12488. 4. E.D. Park, D. Lee, H.C. Lee. Catalysis Today 139 (2009) 280–290. 5. S.H. Oh, R.M. Sinkevitch, Journal of Catalysis 142 (1993) 254-262. 6. K. Omata, T. Takada, S. Kasahara, M. Yamada, Applied Catalysis A: General 146 (1996) 255-267. 7. G. Avgouropoulos, J. Papavasiliou, T. Ioannides. Catalysis Communications 9 (2008) 1656-1660. 8. M. Monte, D. Gamarra, A. López Cámara, S.B. Rasmussen, N. Gyorffy, Z. Schay, A. MartínezArias, J.C. Conesa. Catalysis Today 229 (2014) 104-113. 9. Y. Teng, H. Sakurai, A. Ueda, T. Kobaysahi. 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