Estudo da adsorção de álcoois e gás de síntese em óxido de magnésio, óxido de zinco e zeólita H-ZSM-5

Abstract

Diversas moléculas, presentes na atmosfera e em insumos ou produtos industriais, estão conectadas aos interesses ambiental e energético. Dentre eles, gases como o hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, água e metano estão envolvidos no gás de síntese assim como no gás d’água, ou mesmo na produção de hidrogênio, importante matriz energética. Por outro lado, álcoois podem ser uma via importante de produção industrial de gasolina, além de outras conversões importantes, como isomerizações e desidratação. Estes processos são catalisados em zeólitas, enquanto que os primeiros são catalisados em superfícies de óxidos. O estudo teórico destes sistemas pode ser feito através de métodos periódicos e através de aglomerados. O uso de aglomerados é uma técnica bastante utilizada para tratamento de sistemas como zeólitas e óxidos. Entretanto, requer diversos cuidados, principalmente relacionados ao entorno periódico do sistema estudado. Uma das formas de resolver a simulação destes sólidos por aglomerados é embeber a parte de interesse através do método híbrido ONIOM. Este método tem a capacidade de trabalhar camadas distintas de teoria no mesmo sistema, diminuindo o impacto computacional, trazendo diversas informações de relevância química destes sistemas. É importante a definição das fronteiras neste método, a sua partição, além do nível teórico a ser usado. Desta forma, este trabalho traz a avaliação em diferentes sistemas de adsorção de moléculas pequenas, H2, CO, CO2, CH4 e H2O, além de moléculas de maior número de átomos, como metanol, etanol, propanol e butanol, como adsorbatos. Foram selecionados os métodos de funcional de densidade, com os funcionais B3LYP, M06-2X, wB97X-D, na camada alta, para o sistema modelo. Também foi avaliado na camada alta o método semi-empírico PM6. Na camada baixa, foram avaliados o semi-empírico PM6 e o campo de força UFF. Foram avaliadas a energia de adsorção e a geometria do adsorbato. Tanto para os óxidos, quanto para a zeólita, foi alcançada a relaxação da superfície de interesse, utilizando sempre uma mesma abordagem, ou seja, otimizando a superfície por etapas, expandindo a região de interesse para trazer uma melhor representação do ambiente onde foi estudado o adsorbato. O método PM6 ao ser utilizado para todo o sistema mostrou uma superestimação da energia de adsorção, melhorando o comportamento com o uso do método ONIOM. No caso da zeólita, foi possível alcançar um maior leque de sistemas e métodos utilizados, devido ao melhor comportamento do sistema, devido ao caráter covalente no adsorvente. Ao total, os estudos apresentam um protocolo consolidado para o estudo de adsorção em sólidos e zeólitas. Permitindo no futuro, tratar os mecanismos envolvidos.