Descrição teórica da reação de redução na reforma a vapor via ciclos químicos

Abstract

A matriz energética mundial é dependente majoritariamente dos combustíveis à base de petróleo. Porém, este padrão acarreta em diversos impactos negativos principalmente no meio ambiente. É sabido que, seguindo a taxa atual de consumo de petróleo, estes insumos devem acabar em menos de 50 anos. Por isso, a adoção de uma matriz energética sustentável é fundamental para o futuro. O hidrogênio é um excelente candidato para assumir as rédeas desta matriz energética. Quando queimado, produz água como produto (consideravelmente menos nociva que os produtos de combustão de combustíveis fósseis) e, em motores de carros, por exemplo, são até três vezes mais eficientes que gasolina. Existem algumas maneiras, no entanto, de produzir hidrogênio. A mais usual, atualmente, são os processos de reforma a vapor. Entretanto, um processo vem sendo revisitado: a reforma a vapor via ciclos químicos. Isto acontece porque devido à nanotecnologia, nanocatalisadores à base de óxido de ferro foram possibilitados, aumentando a resistência desses importantes participantes das reações envolvidas no processo e tornando, então, este método de síntese de produção de hidrogênio possível. Com isso, abordaremos com um viés teórico a etapa de redução da magnetita (catalisador escolhido) na reforma catalítica a vapor via ciclos químicos: CH4 + 4Fe3O4 ⇋ CO2 + H2O + 12FeO. Para isso, foi abordado a magnetita, que é um mineral, sólido à temperatura e pressão ambiente e tem fórmula mínima Fe3O4. A magnetita foi aproximada para uma estrutura de cluster, que é um conjunto de átomos que representam a estrutura sólida, Fe12O16. Devido às propriedades magnéticas do mineral, as etapas de reação foram estudadas em três níveis de estado eletrônico diferentes: singleto, tripleto e quinteto. Até o momento, a multiplicidade tripleto foi observada como o estado fundamental do estudo de cluster realizado que “varreu” desde uma unidade de Fe3O4 até quatro unidades, onde a diferença do tripleto para singleto e quinteto foi de pelo menos 94 kcal/mol para o cluster com o funcional BPW91 e base LAV2P duplamente polarizada (BPW91/LAV2P**). O maior cluster, Fe12O16, foi adotado, também, como o cluster empregado nas etapas com reações químicas. Os resultados na multiplicidade singleto, tripleto e quinteto foram avaliados e foram propostos canais de adsorção física (fisissorção) com quatro produtos de fisissorção em singleto e cinco produtos de fisissorção tanto em tripleto quanto em quinteto. A remoção de um hidrogênio do metano para dar continuidade à reação química gerando produtos de quimissorção foi avaliada nestas três multiplicidades. Dois produtos de quimissorção foram localizados em singleto e também em tripleto. Porém apenas um produto foi encontrado em quinteto. Propostas de estados de transição foram sugeridas também neste trabalho como uma tentativa de conectar as etapas de fisissorção e quimissorção. Para singleto, o canal Baixo_H_O teve uma barreira de ligação de aproximadamente 90 kcal/mol e Cima_H_Otetra apresentou uma barreira de aproximadamente 45 kcal/mol. Em tripleto as barreiras encontradas foram de aproximadamente 20 kcal/mol e 60 kcal/mol para os canais Cima_H_Oocta e Cima_H_Otetra respectivamente. Em quinteto apenas um canal foi encontrado e a barreira, para Cima_H_Oocta, foi por volta de 65 kcal/mol.