dissertação
Ativação da ligação c-h no metano por espécies MOm n+ (M = Nb, Fe; m = 0, 1; n = 0, 1, 2): estrutura eletrônica, mecanismo de reação e reatividade
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Editor
Universidade Federal de Lavras
Faculdade, Instituto ou Escola
Departamento
Departamento de Química
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação Multicêntrico em Química de Minas Gerais
Agência de fomento
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
A necessidade de renovação e uma utilização mais eficiente dos recursos
energéticos têm proporcionado um aumento do interesse em estudos de
processos de ativação do metano na fase gasosa por óxidos de metais de
transição. Neste aspecto, o presente trabalho é um esforço no sentido de avaliar ,
do ponto de vista computacional, a reatividade dos óxidos de NbOm n+ e FeOm n+
(m = 1, 2; n = 0, 1, 2) no processo de ativação da ligação C-H do metano, que
corresponde ao primeiro e determinante passo do processo de conversão do
metano a metanol. Esses óxidos foram escolhidos, a princípio, devido ao fato de
que os óxidos de ferro são os mais estudados experimentalmente e que os íons
de ferro são os mais abundantes em meios biológicos. Já a motivação principal
da escolha dos óxidos de nióbio é a grande abundância de reservas naturais
desse mineral (98%) no Brasil, particularmente em Minas Gerais. Inicialmente,
neste trabalho, uma investigação minuciosa foi realizada utilizando diferentes
metodologias teóricas para analisar as propriedades estruturais e eletrônicas dos
óxidos em questão. A partir desses resultados, a metodologia mais confiável foi
selecionada para realizar a investigação do processo de ativação da ligação C -H
do metano pela série dos óxidos de ferro e nióbio, considerando todos os
possíveis mecanismos de reação conhecidos para ativar a ligação C-H de
alcanos. Cabe ressaltar neste ponto que não existem na literatura, até o presente
momento, trabalhos nos quais todos os mecanismos aqui considerados tenham
sido investigados e comparados entre si. De modo geral, os principais resultados
obtidos mostram tendências e comportamentos catalíticos diferentes ao longo
das séries de monóxidos e dióxidos de ferro e nióbio. Um importante e comum
resultado encontrado nas duas investigações é que o aumento da carga sobre o
centro metálico e a adição de átomos de oxigênios ao metal, claramente,
favorece a termodinâmica inicial da reação, ou seja, favorece a aproximação do
centro metálico ao metano, que tem, dessa maneira, sua nuvem eletrônica
distorcida diminuindo assim a sua inércia. Comparando as duas séries de óxidos
investigados, pode-se concluir que os óxidos de ferro são os mais eficientes na
ativação da ligação C-H do metano. Entre os óxidos de ferro investigados, FeO+
mostrou uma melhor performance cinética e termodinâmica na reação com o
metano; enquanto dentre os óxidos de nióbio, os íons NbO 2+
e NbO2 2+ mostraram uma melhor eficiência catalítica na ativação da ligação C-H do
metano.
Abstract
The need for renewal and a more efficient use of energy resources has provided
an increased interest in studies of methane activation processes in the gas phase
by transition metal oxides. In this respect, the present work is an effort to assess ,
by means of a computational standpoint, the reactivity of NbOm n+ and FeOm n+ (m
= 1, 2, n = 0, 1, 2) oxides in the activation process of the methane C-H bond,
which corresponds to the first rate limiting step in the process of converting
methane to methanol. These oxides are chosen, primarily, because the iron
oxides are the most experimentally studied, and iron ions are more abundant in
biological mediums. The main motive for choosing niobium oxides is the
abundance of natural reserves of this mineral in Brazil (98%), especially in
Minas Gerais. Initially, a thorough investigation was conducted, using different
theoretical methods, to analyze the structural and electronic properties of the
investigated oxides. Based on these results, the most reliable methodology was
selected to investigate the activation process of the methane C-H bond by the
series of iron and niobium oxides, considering all possible reaction mechanisms
known to activate the C-H bond of alkanes. It is worth noting that, up to this
moment and to our knowledge, there are no papers, in literature , investigating
and comparing all the mechanisms considered in this work. I n general, the main
results obtained show different catalytic tendencies and behaviors throughout the
series of monoxides and dioxides of iron and niobium. An important and
common result found in the two studies is that the increase in the load on the
metal center and the addition of oxygen atoms to the metal, clearly favor the
initial thermodynamics of the reaction, i.e., favor the approach of the metal
center to methane, distorting its electron cloud and, thereby, decreasing its
inertia. Comparing the two sets of oxides, we conclude that the iron oxides are
the most efficient in activating the methane C-H bond. Among the iron oxides
investigated, FeO +
showed better kinetic and thermodynamic performance in the reaction with methane, while from the niobium oxides and ions NbO 2+
and NbO2 2+, showed better catalytic efficiency in the activation of the methane C-H
bond.
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Agência de desenvolvimento
Palavra chave
Marca
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Impacto da pesquisa
Resumen
Palavras-chave
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DOI
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SILVA, T. C. Ativação da ligação c-h no metano por espécies MOm n+ (M = Nb, Fe; m = 0, 1; n = 0, 1, 2): estrutura eletrônica, mecanismo de reação e reatividade. 2016. 159 p. Dissertação (Mestrado Multicêntrico em Química de Minas Gerais)-Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2016.
