BR112018003639B1

BR112018003639B1 - Processo de controle da morfologia de grafite

Info

Publication number: BR112018003639B1
Application number: BR112018003639-0A
Authority: BR
Inventors: Andrew Cornejo
Original assignee: Hazer Group Limited
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2022-08-30
Also published as: MX2018002356A; JP2018528921A; PH12018500400A1; MY185388A; KR102595258B1; BR112018003639A2; PH12018500400B1; CN108348901A; SA518391006B1; CA2996940C; AU2019203179A1; AU2016312962B9; SG10202010473QA; JP6986009B2; CA2996940A1; US20180237303A1; EP3341328A4; KR20180070562A; US11691126B2; NZ740136A

Abstract

PROCESSO DE CONTROLE DA MORFOLOGIA DE GRAFITE. Processo de controle da morfologia de grafite em um processo para a produção de grafite, o processo compreendendo: o contato a temperatura elevada de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto a hidrogênio e carbono; em que a temperatura está entre 600°C e 1000°C e uma pressão entre 0 bar (g) e 100 bar (g), e em que tanto a temperatura quanto a pressão são ajustadas dentro de faixas de valores predeterminados para sintetizar seletivamente material grafítico com uma morfologia desejada.

Description

CAMPO DE INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a um processo de controle da morfologia do grafite em um processo para a produção de grafite.

ESTADO DA TÉCNICA

[0002] O carbono sólido, ou mais particularmente o grafite, é considerado um material chave no mercado de tecnologia verde emergente. Foi demonstrado ser útil no armazenamento de energia, veículos elétricos, energia fotovoltaica e equipamentos eletrônicos modernos. À medida que diferentes morfologias de grafite exibindo propriedades diferentes, os usos comerciais do grafite também são altamente dependentes da morfologia.

[0003] O gás natural pode ser craqueado cataliticamente em carbono sólido e gás hidrogênio de acordo com a Equação (1).

[0004] Em tal processo, o material de carbono sólido depositado sobre a superfície do catalisador e o gás hidrogênio evolui. Há um grande número de catalisadores conhecidos para o processo, incluindo metais preciosos, metais de transição e catalisadores à base de carbono.

[0005] Embora o processo acima seja conhecido, não foi explorado comercialmente por um número de razões econômicas, principalmente relacionadas aos custos do catalisador subjacentes, tanto no suprimento inicial quanto com os custos na reciclagem e na regeneração do catalisador. O catalisador particular usado também impacta fortemente a morfologia do carbono sólido produzido, enquanto oferece muitos poucos meios de controle de qualquer coisa.

[0006] Existe uma necessidade significativa por processos novos e melhorados e catalisadores para a conversão catalítica de hidrocarbonetos a hidrogênio e um carbono sólido, que são estáveis e comercialmente valiosos, enquanto permitem que a morfologia do carbono produzido seja controlada.

[0007] A discussão anterior dos antecedentes da invenção se destina a facilitar somente a compreensão da presente invenção. Deve ser apreciado que a discussão não é um reconhecimento ou admissão de que qualquer dos materiais referidos foi parte do conhecimento geral comum na Austrália na data de prioridade do pedido.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0008] De acordo com a presente invenção, é fornecido um processo de controle da morfologia de grafite em um processo para a produção de grafite, o processo compreendendo: o contato a temperatura elevada, um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto a hidrogênio e carbono; em que a temperatura está entre 600°C e 1000°C e uma pressão entre 0 bar(g) e 100 bar(g), e em que tanto a temperatura quanto a pressão são ajustadas dentro de faixas de valores predeterminados para sintetizar seletivamente material grafítico com uma morfologia desejada.

[0009] Ao longo deste relatório descritivo, a menos que o contexto exija o contrário, o termo "sintetizar seletivamente" será entendido, referindo-se à síntese preferencial de uma morfologia sobre as demais. Embora o processo da presente invenção irá produzir frequentemente uma mistura de morfologias, o Requerente determinou que a seleção da temperatura e da pressão do processo tem um resultado sobre a morfologia do grafite assim produzido.

[0010] Ao longo deste relatório descritivo, a menos que o contexto exija o contrário, será apreciado que o processo da presente invenção pode ser conduzido a mais de uma temperatura e/ou pressão dentro de uma faixa especificada. Por exemplo, se uma faixa de temperatura de 600°C a 800°C é fornecida, a etapa de contato do catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto poderia inicialmente ser realizada a 600°C, com a temperatura sendo aumentada para 800°C durante o contato do catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto. Da mesma forma, se uma faixa de pressão de 0 bar(g) 8 bar(g) é fornecida, a etapa de contato do catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto poderia inicialmente ser realizada a 0 bar(g) com a pressão sendo aumentada para 8 bar(g) durante o contato do catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto.

[0011] Ao longo deste relatório descritivo, a menos que o contexto exija o contrário, o termo "seletividade" se refere à porcentagem do material grafítico produzido com a morfologia desejada.

[0012] Ao longo deste relatório descritivo, a menos que o contexto exija o contrário, o termo "bar(g)" se refere à pressão de calibração. Como seria entendido pelo destinatário versado, a pressão de calibração se refere a pressão em bars acima da pressão ambiente.

[0013] Tal como utilizado neste relatório descritivo, o termo "faixas de valores predeterminados" se refere a uma faixa particular de pressões e temperaturas que podem ser selecionadas pelo versado na técnica para sintetizar seletivamente o material grafítico com uma morfologia desejada. O versado na técnica seria capaz de selecionar uma temperatura ou temperaturas apropriadas e pressão ou pressão dentro dessas faixas para sintetizar seletivamente o material grafítico desejado.

[0014] Em uma modalidade da presente invenção, o catalisador contendo metal é um catalisador contendo metal sintético. Ao longo deste relatório descritivo, a menos que o contexto exija o contrário, o termo "sintético" será entendido para implicar que o material foi sintetizado através de técnicas químicas. Os catalisadores contendo metal sintéticos são tipicamente de alta pureza.

[0015] Em uma modalidade da presente invenção, o catalisador contendo metal é um material contendo óxido de ferro sintético. Em uma modalidade da presente invenção, o óxido de ferro é catalisador contendo metal sintético é Fe2O3 ou Fe3O4.

[0016] Em uma modalidade alternativa da presente invenção, o catalisador contendo metal é não-sintético. Ao longo deste relatório descritivo, a menos que o contexto exija o contrário, o termo "não-sintético" será entendido para implicar que o material não foi sintetizado através de técnicas químicas. Embora o termo "não sintético" inclua materiais que ocorrem naturalmente, não deve ser entendido excluir materiais que passaram por beneficiamento físico, como esmagamento e triagem ou classificação.

[0017] Em uma modalidade da presente invenção, o catalisador contendo metal é um material contendo o óxido de ferro não- sintético . Em uma modalidade da presente invenção, o catalisador contendo metal é um minério contendo óxido de ferro não-sintético. Em uma modalidade da presente invenção, o minério contendo óxido de ferro não-sintético é minério de ferro. O minério de ferro pode ser minério de ferro de hematita ou minério de ferro de goethita.

[0018] Em uma modalidade da presente invenção, o catalisador contendo metal pode sofrer uma etapa de pré-tratamento para melhorar o seu efeito catalítico. As etapas de pré-tratamento incluem pré- redução a altas temperaturas. Vantajosamente, os inventores descobriram que as temperaturas elevadas da presente invenção podem superar tal etapa de pré-tratamento.

[0019] Como seria entendido por um versado na técnica, o material grafítico pode existir em muitas formas, tal como: fibras grafíticas, que são estruturas de carbono fibroso tipicamente variando de 100 nm a 100 mícrons em comprimento, os nanotubos de carbono (CNTs), que são nanoestruturas cilíndricas que compreendem folhas gráficas únicas ou múltiplas alinhadas de forma concêntrica ou perpendicular a um eixo central, também se enquadram no escopo das fibras grafíticas; nanocebolas de carbono (CNOs), que são estruturas que consistem em folhas grafíticas esféricas múltiplas que são colocadas em camadas de forma concêntrica a partir de um núcleo central, que é tipicamente uma partícula de catalisador ou um vazio. Essas estruturas de carbono tipicamente variam de 50 a 500 nm de diâmetro; micro esferas de carbono (CMSs), que são estruturas grafíticas globulares ocas tipicamente maiores que 500nm em tamanho. Eles são de forma globular e podem ser de cadeia. A forma sintética desta morfologia de grafite é nova, tendo apenas sido encontrada naturalmente em meteoritos; e o grafeno, que é uma camada ou folhas de camada de dígito único de grafite.

[0020] Em uma modalidade preferida da presente invenção, a morfologia desejada é selecionada a partir do grupo que compreende fibras de grafite, nanocebolas de carbono (CNOs), micro-conchas de carbono (CMSs) e grafeno. Mais preferencialmente, as fibras grafíticas compreendem uma mistura de nanotubos de carbono (CNTs) e outras fibras grafíticas.

[0021] Em uma modalidade da presente invenção, os CNOs são sintetizados seletivamente em que a etapa de: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, é conduzida a uma temperatura entre 700°C a 900°C e uma pressão entre 0 bar(g) a 8 bar(g).

[0022] Em uma modalidade da presente invenção, a temperatura é de 800°C a 900°C e a pressão é de 2 bar(g) para 4 bar(g). Em uma modalidade alternativa da presente invenção, a temperatura é de 800°C e a pressão é de 2 bar(g). Em uma modalidade alternativa da presente invenção, a temperatura é de 850°C e a pressão é de 2 bar(g). Em uma modalidade alternativa da presente invenção, a temperatura é de 900 °C e a pressão é de 2 bar(g). Em uma modalidade alternativa da presente invenção, a temperatura é de 750°C e a pressão é de 8 bar(g). Em uma modalidade alternativa da presente invenção, a temperatura é de 800°C e a pressão é de 8 bar(g).

[0023] De preferência, o catalisador contendo metal é o óxido de ferro de hematita ou o óxido de ferro de goethita.

[0024] Em uma modalidade da presente invenção, o CNO é pelo menos 60% do material grafítico. De preferência, o CNO é pelo menos cerca de 70%, pelo menos cerca de 80%, ou pelo menos cerca de 90% do material grafítico.

[0025] Em uma modalidade da presente invenção, as fibras grafíticas são sintetizadas seletivamente em que a etapa de: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, é conduzida a uma temperatura de 700°C a 900°C e uma pressão entre 0 bar(g) a 8 bar(g) e o catalisador contendo metal é o óxido de ferro de goethita.

[0026] De preferência, a temperatura é de 750 °C a 850 °C e a pressão é de 0 bar(g) para 4 bar(g). Mais preferencialmente, a temperatura é de 800 °C e a pressão é de 0 bar(g).

[0027] Em uma modalidade da presente invenção, o catalisador contendo metal é um minério de ferro.

[0028] Em uma modalidade da presente invenção, o minério de ferro é minério de goethita.

[0029] Em uma modalidade da presente invenção, as fibras grafíticas são pelo menos 50% do material grafítico. De preferência, as fibras grafíticas são pelo menos cerca de 70%, pelo menos cerca de 80%, ou pelo menos cerca de 90% do material grafítico.

[0030] Em uma modalidade da presente invenção, o CMS é sintetizado seletivamente em que a etapa de: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, é conduzida a uma temperatura de 800°C a 900°C e uma pressão entre 4 bar(g) e 9 bar(g).

[0031] De preferência, a temperatura é de 850 °C a 900 °C e a pressão é de 6 bar(g) para 8 bar(g). Em uma modalidade alternativa da presente invenção, a temperatura é de 900 °C e a pressão é de 8 bar(g). Em uma outra modalidade da presente invenção, a temperatura é de 850°C e a pressão é de 6 bar(g). Mais preferencialmente, a temperatura é de 900 °C e a pressão é de 6 bar(g). Em uma modalidade alternativa da presente invenção, a temperatura é de 850°C e a pressão é de 7 bar(g). Em uma outra modalidade da presente invenção, a temperatura é de 900 °C e a pressão é de 7 bar(g). Em uma outra modalidade da presente invenção, a temperatura é de 850°C e a pressão é de 8 bar(g). Em uma outra modalidade da presente invenção, a temperatura é de 900 °C e a pressão é de 4 bar(g). Em uma outra modalidade da presente invenção, a temperatura é de 900 °C e a pressão é de 8 bar(g).

[0032] Em uma modalidade da presente invenção, o CMS é pelo menos 60% do material grafítico. De preferência, o CMS é pelo menos cerca de 70%, pelo menos cerca de 80%, ou pelo menos cerca de 90% do material grafítico.

[0033] Em uma modalidade da presente invenção, o grafeno é sintetizado seletivamente em que a etapa de: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono,

[0034] De preferência, a temperatura é de 600°C a 700°C e a pressão é de 0 bar(g). Mais preferencialmente, a temperatura é de 650 °C e a pressão é de 0 bar(g).

[0035] Em uma modalidade da presente invenção, o grafeno é pelo menos 60% do material grafítico. De preferência, o grafeno é pelo menos cerca de 70%, pelo menos cerca de 80%, ou pelo menos cerca de 90% do material grafítico.

[0036] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um processo para a síntese de CNOs, o processo compreendendo: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, em que, a temperatura é de 700°C a 900°C e a pressão é de 0 bar(g) para 8 bar(g).

[0037] Em uma modalidade, a temperatura é de 800°C a 900°C e a pressão é de 2 bar(g) para 4 bar(g). Em uma modalidade, a temperatura é de 800°C e a pressão é de 2 bar(g). Em uma modalidade, a temperatura é de 850°C e a pressão é de 2 bar(g). Em uma modalidade, a temperatura é de 900°C e a pressão é de 2 bar(g). Em uma modalidade, a temperatura é de 750°C e a pressão é de 8 bar(g). Em uma modalidade, a temperatura é de 800°C e a pressão é de 8 bar(g).

[0038] De preferência, o catalisador contendo metal é Fe2O3 ou minério de ferro de hematita. Mais preferencialmente, o catalisador contendo metal é Fe2O3.

[0039] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um processo para a síntese de fibras grafíticas, o processo compreendendo: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, em que a temperatura é de 700°C a 900°C e uma pressão entre 0 bar(g) a 8 bar(g) e o catalisador contendo metal é Fe3O4 ou minério de ferro de goethita.

[0040] De preferência, a temperatura é de 750°C a 850°C e a pressão é de 0 bar(g) a 4 bar(g). Mais preferencialmente, a temperatura é de 800°C e a pressão é de 0 bar(g).

[0041] De preferência, o catalisador contendo metal é um minério de ferro de goethita.

[0042] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um processo para a síntese seletiva de CMS, o processo compreendendo: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, em que a temperatura é de 800°C a 900°C e a pressão está entre 4 bar(g) a 9 bar(g).

[0043] De preferência, a temperatura é de 850 °C a 900 °C e a pressão é de 6 bar(g) a 8 bar(g). Mais preferencialmente, a temperatura é de 900°C e a pressão é de 8 bar(g). Mais preferencialmente, a temperatura é de 850°C e a pressão é de 6 bar(g). Mais preferencialmente, a temperatura é de 850°C e a pressão é de 8 bar(g). Mais preferencialmente, a temperatura é de 900°C e a pressão é de 4 bar(g). Mais preferencialmente, a temperatura é de 900°C e a pressão é de 8 bar(g).

[0044] De preferência, o catalisador contendo metal é Fe2O3 ou minério de ferro de hematita. Mais preferencialmente, o catalisador contendo metal é Fe2O3.

[0045] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um processo para a síntese de grafeno, o processo compreendendo: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, em que a temperatura é de 600°C a 750°C e a pressão está entre 0 bar(g) a 1 bar(g).

[0046] De preferência, a temperatura é de 600°C a 700°C e a pressão é de 0 bar(g). Mais preferencialmente, a temperatura é de 650°C e a pressão é de 0 bar(g).

[0047] De preferência, o catalisador contendo metal é Fe2O3 ou minério de ferro de hematita. Mais preferencialmente, o catalisador contendo metal é Fe2O3.

[0048] De acordo com a presente invenção, é fornecido um processo de controle da morfologia de grafite em um processo para a produção de grafite, o processo compreendendo: o contato a temperatura elevada de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto a hidrogênio e carbono; em que a temperatura está entre 600°C e 1000°C e uma pressão entre 0 bar(g) e 100 bar(g), e em que tanto a temperatura como a pressão são ajustadas dentro de faixas de valores predeterminados para sintetizar seletivamente material grafítico com uma morfologia desejada, em que: CNOs são sintetizados seletivamente em que a etapa de: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, é conduzida a uma temperatura entre 700°C a 900°C e uma pressão entre 0 bar(g) a 8 bar(g); fibras grafíticas são sintetizadas seletivamente em que a etapa de: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, é conduzida a uma temperatura de 700°C a 900°C e uma pressão entre 0 bar(g) a 8 bar(g) e o catalisador contendo metal é o óxido de ferro de goethita; CMSs é sintetizado seletivamente em que a etapa de: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, é conduzida a uma temperatura de 800°C a 900°C e uma pressão entre 4 bar(g) a 9 bar(g); grafeno é sintetizado seletivamente em que a etapa de: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, é conduzida a uma temperatura de 600°C a 750°C e a pressão é de 0 bar(g) para 1 bar(g).

[0049] Em uma modalidade da presente invenção, a faixa de pressão é selecionada de qualquer uma de cerca de 1 bar(g) a cerca de 10 bar(g); cerca de 2 bar(g) a cerca de 10 bar(g); cerca de 3 bar(g) a cerca de 10 bar(g); cerca de 4 bar(g) a cerca de 10 bar(g); cerca de 5 bar(g) a cerca de 10 bar(g); cerca de 6 bar(g) a cerca de 10 bar(g); cerca de 7 bar(g) a cerca de 10 bar(g); cerca de 8 bar(g) a cerca de 10 bar(g); e cerca de 9 bar(g) a cerca de 10 bar(g). Em uma outra modalidade da presente invenção, a faixa de pressão é selecionada de qualquer uma de pelo menos cerca de 0 bar(g); cerca de 1 bar(g); cerca de 2 bar(g); cerca de 3 bar(g); cerca de 4 bar(g); cerca de 5 bar(g); cerca de 6 bar(g); cerca de 7 bar(g); cerca de 8 bar(g); cerca de 9 bar(g); e pelo menos cerca de 10 bar(g). Em uma outra modalidade da presente invenção, a faixa de pressão é maior que cerca de 10 bar(g) e menor que cerca de 100 bar(g).

[0050] Em uma modalidade da presente invenção, a temperatura é selecionada de qualquer uma entre 650°C e 1000°C; 700°C e 1000°C; 750°C e 1000°C; 800°C e 1000°C; 850°C e 1000°C; 900°C e 1000°C; e 950°C e 1000°C. Em uma outra modalidade da presente invenção, a temperatura é selecionada de qualquer uma entre 650°C e 900°C; 700°C a 900°C; e 800°C a 900°C. Em uma outra modalidade da presente invenção, a temperatura é selecionada de qualquer um entre 650°C a 750°C; 750°C a 850°C; e 850°C a 900°C. Em uma outra modalidade da presente invenção, a temperatura é selecionada de qualquer uma de 600°C; 650°C; 700°C; 750°C; 800°C; 850°C; 900°C; 950°C; e 1000°C.

[0051] O processo da presente invenção fornece síntese seletiva de um material grafítico com uma morfologia desejada. Os inventores entenderam que a seletividade do processo para o material grafítico desejado pode ser conseguida por alteração das faixas de valores predeterminados de pressão e temperatura e do catalisador contendo metal particular utilizado. Em uma modalidade da presente invenção, a seletividade do material grafítico com a morfologia desejada é de pelo menos 40%. De preferência, a seletividade é pelo menos 45%. Mais preferencialmente, a seletividade é pelo menos 50%. Ainda preferencialmente, a seletividade é pelo menos 55%. Ainda preferencialmente, a seletividade é pelo menos 60%. Ainda preferencialmente, a seletividade é pelo menos 65%. Ainda preferencialmente, a seletividade é pelo menos 70%. Ainda preferencialmente, a seletividade é pelo menos 75%. Ainda preferencialmente, a seletividade é pelo menos 80%. Ainda preferencialmente, a seletividade é pelo menos 85%. Ainda preferencialmente, a seletividade é pelo menos 90%.

[0052] Em uma modalidade preferida da presente invenção, o catalisador contendo metal é um catalisador de óxido metálico. Como seria entendido por um versado na técnica, um óxido metálico é um composto contendo metal que contém um ânion de oxigênio. Em uma modalidade da invenção, o catalisador contendo metal é um catalisador de óxido de ferro. De preferência, o catalisador de óxido de ferro é selecionado de Fe2O3; Fe3O4; ou qualquer mistura dos mesmos.

[0053] Em uma modalidade da presente invenção, o catalisador contendo metal é não-sintético. Ao longo deste relatório descritivo, a menos que o contexto exija o contrário, o termo "não-sintético" será entendido para implicar que o material não foi sintetizado através de técnicas químicas. Embora o termo "não sintético" inclua materiais que ocorrem naturalmente, não deve ser entendido excluir materiais que passaram por beneficiamento físico, como esmagamento e triagem ou classificação.

[0054] Em uma modalidade da presente invenção, o catalisador contendo metal é um material contendo o óxido de ferro não- sintético . De preferência, o catalisador contendo metal é um minério que contendo óxido de ferro não-sintético. Em uma modalidade preferida da presente invenção, o minério contendo óxido de ferro não-sintético é minério de ferro. Em uma modalidade, o minério de ferro é um de minério de ferro de hematita e minério de ferro de goethita.

[0055] Sem pretender ser limitado pela teoria, é entendido pelos inventores que o tamanho de partícula médio do catalisador contendo metal pode impactar a seletividade e o rendimento do material grafítico. Em uma modalidade da invenção, o catalisador contendo metal tem um tamanho de partícula médio inferior a qualquer um de 3 cm; 2,5 cm; 2 cm; 1,5 cm; 1 cm; 9 mm; 8 mm; 7 mm; 6 mm; 5 mm; 4 mm; 3 mm; 2 mm; 1 mm; 750μm; 500μm; 250μm; 200μm; 150μm; 100μm; 50μm; 25μm; 20μm; 15μm; 10; 5; e 1 μm.

[0056] Em uma modalidade da presente invenção, o catalisador contendo metal sofre uma etapa de redução de tamanho para obter o tamanho de partícula médio desejado. De preferência, a etapa de redução de tamanho um ou mais de moagem, esmerilhamento, peneiração e outros processos equivalentes desse tipo.

[0057] Sem pretender ser limitado pela teoria, é entendido pelos inventores que o rendimento do material grafítico total pode depender de faixas de valores predeterminados de pressão e temperatura, e o catalisador contendo metal utilizado. Em uma modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 4 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 5 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 6 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 7 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 8 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 9 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 10 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 11 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 12 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 13 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 14 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 15 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 16 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 17 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 18 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 19 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico é de pelo menos 20 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal.

[0058] Em uma modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico está entre 4 e 20 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico está entre 6 e 20 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico está entre 8 e 20 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico está entre 10 e 20 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico está entre 12 e 20 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico está entre 14 e 20 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico está entre 16 e 20 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal. Em uma outra modalidade da presente invenção, o rendimento do material grafítico está entre 18 e 20 gramas por grama de ferro elementar no catalisador contendo metal.

[0059] Sem pretender ser limitado pela teoria, é entendido pelos inventores que o rendimento do material grafítico total pode depender da duração da reação. Como seria entendido por um especialista na técnica, a temperatura e a pressão selecionadas afetam a duração da reação. Em uma modalidade da invenção, a duração da reação é selecionada de qualquer um de pelo menos 5 minutos; 10 minutos; 15 minutos; 20 minutos; 25 minutos; 30 minutos; 35 minutos; 40 minutos; 45 minutos; 50 minutos; ou 55 minutos; 1 hora; 2 horas, 4 horas; 6 horas; 8 horas; 10 horas; 12 horas; 14 horas; 16 horas; 18 horas; 20 horas; 22 horas; 24 horas; 26 horas; 28 horas; 30 32 horas; 44 horas; 36 horas; 38 horas; 40 horas; 42 horas; 44 horas; 46 horas; e 48 horas. Em outra modalidade da invenção, a duração da reação é selecionada de qualquer uma entre 2 e 48 horas; 2 e 44 horas; 2 e 38 horas; 2 e 34 horas; 2 e 30 horas; 2 e 26 horas; 2 e 22 horas; 2 e 18 horas; 2 e 14 horas; 2 e 10 horas; 2 e 8 horas; e 2 e 4 horas.

[0060] Em uma modalidade da presente invenção, o catalisador contendo metal é não suportado. No contexto da presente invenção e tal como entendido pelos especialistas na técnica, os catalisadores não suportados são catalisadores que não estão conectados ou ligados a um suporte de catalisador, que é o material ao qual o catalisador é afixado. Os suportes de catalisador são tipicamente um material sólido com uma área de superfície elevada e são usados para aumentar a superfície disponível de um catalisador para aumentar o rendimento do material grafítico. Os catalisadores também podem ser suportados no seu estado natural, ou seja, a superfície do catalisador contendo metal é revestida/ligada com a espécie ativa e é suportada pelo núcleo que pode ser material diferente do revestimento de catalisador contendo metal ou o mesmo material como revestimento de catalisador contendo metal.

[0061] Em uma modalidade alternativa da invenção, o catalisador contendo metal é um catalisador suportado. Como seria entendido por um especialista na técnica, o catalisador suportado compreende o catalisador e um suporte. Em uma modalidade da presente invenção, o suporte é de uma composição química diferente ao catalisador contendo metal. Em uma modalidade alternativa da presente invenção, o suporte é da mesma composição química que o catalisador contendo metal.

[0062] Em uma modalidade da presente invenção, o gás de hidrocarboneto é o metano. Em uma modalidade alternativa da presente invenção, o gás de hidrocarboneto é gás natural.

[0063] Em uma modalidade da presente invenção, a etapa de: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, é realizada em um reator mantido dentro das faixas de temperatura e faixas de pressão.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0064] Outras características da presente invençãosão mais completamente descritas na seguinte descrição de váriasmodalidades não limitativas da mesma. Esta descrição está incluída apenas para efeitos de exemplificação da presente invenção. Ela não deve ser compreendida como uma restrição no escopo do resumo amplo,divulgação ou descrição da invenção tal como definido acima. A descrição será feita com referência as figuras anexas, nas quais: a Figura 1 mostra uma representação esquemática do processo de produção de hidrogênio e carbono, de acordo com um primeiro aspecto da presente invenção; a Figura 2 mostra um esquema para o mecanismo de crescimento de grafeno multicamadas e CMS; as Figuras 3a e 3b mostram um esquema para as diferenças entre a formação de concha esférica oca e as estruturas semelhante a cadeia oca aglomeradas da presente invenção; a Figura 4 mostra uma representação gráfica da morfologia do grafite contra a temperatura à pressão atmosférica. a Figura 5 mostra uma representação gráfica da morfologia do grafite contra pressão a uma temperatura de 850°C; a Figura 6 mostra uma imagem de microscópio eletrônico de varredura (SEM) de CNOs, produzidos de acordo com a presente invenção; a Figura 7 mostra uma imagem de microscópio eletrônico de túneis (TEM) de um CNO simples, produzido de acordo com a presente invenção; a Figura 8 mostra uma imagem SEM de CMS, produzido de acordo com a presente invenção; a Figura 9 mostra uma imagem TEM de CMS, produzido de acordo com a presente invenção; a Figura 10 mostra uma imagem SEM de fibras grafíticas, produzidas de acordo com a presente invenção; a Figura 11 mostra uma imagem TEM de CMS, produzido de acordo com a presente invenção; a Figura 12 mostra uma imagem SEM de fibras grafíticas, produzidas de acordo com a presente invenção; e a Figura 13 mostra uma imagem TEM de grafeno, produzido de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADESPREFERIDAS DA INVENÇÃO

[0065] Os versados na técnica apreciarão que ainvenção descrita neste documento é suscetível a variações emodificações diferentes daquelas especificamente descritas. A invenção inclui todas essas variações e modificações. A invenção também inclui todas as etapas, características, formulações e composiçõesmencionadas ou indicadas neste relatório descritivo, individualmente oucoletivamente, e quaisquer e todas as combinações ou quaisquer duas oumais das etapas ou características.

[0066] Cada documento, referência, pedido de patente ou patente citados neste texto é expressamente incorporadoneste documento em sua totalidade por referência, o que significa quedeve ser lido e considerado pelo leitor como parte deste texto. Que o documento, referência, pedido de patente ou patente citados neste textonão são repetidos neste texto é meramente por razões de concisão. Nenhum dos materiais citados ou a informação contida nesse materialdevem, contudo, ser entendidos como um conhecimento geral comum.

[0067] As instruções, descrições, especificações doproduto e folhas de produtos do fabricante para quaisquer produtosmencionados neste documento ou em qualquer documento incorporadopor referência neste documento são aqui incorporados por referência epodem ser utilizados na prática da invenção.

[0068] A presente invenção não deve ser limitada em escopo por qualquer das modalidades específicas descritas neste documento. Essas modalidades são pretendidas apenas para fins de exemplo. Os produtos, composições e métodos funcionalmente equivalentes estão claramente dentro do escopo da invenção como descrita neste documento.

[0069] A invenção descrita neste documento pode incluir uma ou mais faixas de valores (por exemplo, tamanho, concentração etc.). Uma faixa de valores será entendida como incluindo todos os valores dentro da faixa, incluindo os valores que definem a faixa e valores adjacentes à faixa que conduzam à mesma ou substancialmente o mesmo resultado que os valoresimediatamente adjacentes a esse valor que definem o limite da faixa.

[0070] Ao longo deste relatório descritivo, salvo indicação contrária, a palavra "compreende", ou variações como "compreende" ou "compreendendo" serão entendidas de modo a implicara inclusão de um número inteiro declarado ou um grupo declarado de números inteiros, mas não a exclusão de qualquer outro número inteiro ou grupo de números inteiros.

[0071] Outras definições para termos selecionados usados neste documento podem ser encontradas dentro da descrição detalhada da invenção e aplicáveis ao longo da mesma. A menos que definido de outra forma, todos os termos técnicos e científicos usadosneste documento têm o mesmo significado como comumente entendido por uma pessoa versada na técnica à qual a invenção pertence.

[0072] Características da invenção serão agora discutidas tendo como referência os seguintes exemplos e descrição não limitantes.

[0073] De uma forma geral, a invenção se refere a um processo para produzir hidrogênio e carbono sólido. Em particular, a presente invenção refere-se a um processo de controle da morfologia da grafite em um processo para a produção de grafite.

[0074] O processo de controle da morfologia de grafite em um processo para a produção de grafite, o processo caracterizado pelo fato de que compreende: o contato de um catalisador contendo metal com um gás de hidrocarboneto a temperatura elevada para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto a hidrogênio e carbono; em que a temperatura está entre 600°C e 1000°C e a pressão entre 0 bar(g) e 100 bar(g) e em que tanto a temperatura quanto a pressão são ajustadas dentro de faixas de valores predeterminados para sintetizar seletivamente uma morfologia desejada.

[0075] O gás de hidrocarboneto pode ser qualquer corrente de gás que compreende hidrocarbonetos leves. Exemplos ilustrativos de gás de hidrocarboneto incluem, mas não estão limitados a, gásnatural, metano de hulha, gás residual e biogás. A composição do gásde hidrocarboneto pode variar significativamente, mas geralmentecompreenderá um ou mais hidrocarbonetos leves de um grupo quecompreende metano, etano, etileno, propano e butano.

[0076] Em uma modalidade preferida da invenção, o gás de hidrocarboneto compreende substancialmente metano.

[0077] O catalisador contendo metal pode ser selecionado a partir de um grupo que compreende compostos contendo óxido de ferro, tais como óxido de ferro de hematita e óxido de ferra de goethita.

[0078] O catalisador contendo metal é disposto em um reator de uma maneira tal que o catalisador contendo metal pode entrar em contato com o gás de hidrocarboneto. Por exemplo, o catalisador contendo metal pode ser disposto em uma superfície substancialmente horizontal do reator e sujeito a um fluxo transversal de gás de hidrocarboneto.

[0079] Alternativamente, o catalisador contendo metal pode ser suspenso em um reator de leito fluidizado que é submetido a um fluxo longitudinal de gás de hidrocarboneto.

[0080] Com referência à Figura 1, descreve-se um processo 10 para produção de hidrogênio 12 e carbono 14 a partir de um gás de hidrocarboneto, por exemplo, o gás natural 16.

[0081] Na modalidade ilustrada na Figura 1, o processo realizado em um reator 18 carregado com um catalisador contendo metal, por exemplo, óxido de ferro 20. O óxido de ferro 20 é triturado até <150 um antes de ser carregado no reator 18.

[0082] Entende-se que a quantidade de catalisador carregado no reator é relativa à quantidade de rendimento de carbono, que é dependente da taxa de desativação (por encapsulamento de carbono). É entendido pelo Requerente que a taxa de desativação varia dependendo da morfologia do carbono produzido.

[0083] O gás natural 16 é dirigido para o reator 18 que está a uma temperatura e pressão elevadas em que entra em contato com o óxido de ferro 20 para produzir o gás hidrogênio 12 e o carbono 14. O processo deposita o carbono 14 sobre o catalisador contendo metal 20. Uma porção do gás natural 16 permanece sem reagir e mistura com o hidrogênio 12 produzido para formar uma primeira corrente de gás 28.

[0084] O processo da presente invenção permite a síntese seletiva de fibras grafíticas, de preferência sob a forma de nanotubos de carbono (CNTs), nanocebolas de carbono (CNOs), micro-conchas de carbono (CMSs) e grafeno.

[0085] A morfologia do carbono produzido 14 é determinada pela temperatura e pressão do processo.

[0086] Sem o desejo de se vincular à teoria, é entendido pelo requerente que as maiores taxas de deposição de carbono tendem a produzir mais tipos de grafite envolvente, como CNO e CMS em oposição às fibras grafíticas, que requerem taxas de deposição mais baixas e mais estáveis. É entendido que a taxa de deposição de carbono é influenciada pelas condições de reação, em particular as temperaturas e pressões de reação. Temperaturas de reação mais altas aumentam a taxa de reação aumentando a cinética da reação e a termodinâmica. As pressões também aumentam a taxa de reação para a encapsulação de tipos de carbono porque a reação torna-se difusa limitada à medida que o grafite cria uma barreira entre o gás reagente e o catalisador contendo metal.

[0087] À medida que ocorre a reação, o gás reagente reduz as partículas de catalisador de óxido de ferro em ferro elementar e emite pequenas quantidades de vapor de água, CO e CO2 como subproduto. Após a redução, o gás reagente continua a se decompor na superfície das partículas de óxido de ferro reduzidas, produzindo gás hidrogênio e carbono superficial. Este carbono difunde na superfície da partícula até a partícula saturar e formar um carboneto metálico, por exemplo, carboneto de ferro (Fe3C) quando um catalisador de óxido de ferro é utilizado. Este carboneto é metastável a temperaturas além 680°C e decompõe-se rapidamente de volta para ferrita e carbono, em que o carbono é precipitado na forma de grafite. A reação pode continuar enquanto o gás reagente for capaz de entrar em contato com a superfície da partícula de catalisador contendo metal. Este ciclo, denominado "ciclo de carboneto", continua até que o gás reagente seja incapaz de difundir através do grafite envolvente para entrar em contato com o catalisador contendo metal.

[0088] As partículas de óxido de ferro policristalino são capazes de produzir morfologias de grafite muitas vezes menores do que o tamanho de partículas físicas por causa de um fenômeno chamado pulverização de metal. A pulverização de metal é um termo da indústria usado para descrever uma reação que desintegra material metálico (muitas vezes ferroso) em fragmentos e grafite dentro de um ambiente carburante. Este efeito começa por moléculas de metano (ou outros gases carbonosos) adsorvendo e dissociando na superfície do catalisador contendo metal e o carbono resultante difundindo na superfície do metal a granel. Uma vez que esta camada externa está saturada com carbono, ela forma carboneto metálico e depois precipita dos limites de grãos metálicos como carbono grafítico. Ao longo do tempo, isso faz com que a pressão intergranular que separa as partículas de carboneto de metal do metal primário e faz com que a estrutura metálica se desintegre por "pulverização".

[0089] Como seria entendido por um versado na técnica, diferentes materiais contendo metal têm partículas de metal policristalino de diferentes tamanhos. Uma vez que as partículas de metais policristalinos são maiores que um tamanho limiar, entende-se que a reação é inicialmente contida na periferia da partícula de catalisador contendo metal e forma uma "película" de grafite na superfície da partícula. Quando as condições de reação têm baixa energia cinética (pressão atmosférica e <750°C, respectivamente) esta película de grafite retarda suficientemente a velocidade da reação, restringindo o gás reagente a partir de superfície de contato com o catalisador que contém metal. Essa taxa mais lenta permite que o carbono se difunda para o volume da partícula de catalisador contendo metal e resulte no escoamento da partícula de catalisador contendo metal e a esfoliação da película de grafite como grafeno de várias camadas.

[0090] As altas taxas de deposição de carbono (a pressões de reação de> 3 bar absolutas e temperaturas de> 800°C) acredita- se que o grafite superficial não inibe a reação do ciclo do carboneto e a taxa de reação rápida não permite tempo suficiente para o carbono difundir na maior parte da partícula de catalisador contendo metal. O grafite continua a crescer na superfície da partícula de catalisador contendo metal até a ruptura, deixando uma estrutura de tipo CMS. Esta ruptura resulta na pulverização de partículas do catalisador que contém metal e é expelida da estrutura de CMS, deixando uma concha esférica oca. Alternativamente, o crescimento pode envolver um processo cíclico de crescimento e ruptura de grafite, com cada seção rompida aderindo à seção anterior, resultando em estruturas de cadeia oca aglomeradas. Um esquema para o mecanismo de crescimento de grafeno em multicamadas e CMS conforme entendido pelo Requerente é mostrado na Figura 2. As diferenças entre a formação de concha esférica oca e as estruturas em forma de cadeia oca aglomeradas são mostradas nas Figuras 3a e 3b.

[0091] É entendido pelo Requerente que as CNOs e as fibras grafíticas são produzidas uma vez que as partículas de metal policristalino foram pulverizadas. O tamanho das partículas pulverizadas depende do tamanho de partícula cristalina do material contendo metal. Aqueles com tamanhos de partículas cristalinas menores produzem mais fibras grafíticas, enquanto partículas maiores produzem mais CNOs. Os minérios de goethita, por exemplo, contêm tamanhos de partículas cristalinas menores do que, por exemplo, minérios de hematita e, portanto, tendem a produzir uma maior proporção de fibras grafíticas.

[0092] É entendido pelo Requerente que impurezas no gás de hidrocarboneto e/ou no catalisador contendo metal podem afetar as morfologias produzidas. Espera-se que as impurezas no gás de hidrocarbonetos alterem a cinética da reação e o impacto na taxa de crescimento do carbono. As impurezas no catalisador contendo metal podem esperar afetar as características das morfologias produzidas, interrompendo o progresso dos mecanismos de crescimento discutidos acima.

[0093] O processo da presente invenção tem sido usado para produzir uma faixa de morfologias de carbono grafíticas, incluindo nanocebolas de carbono (CNO), nanotubos de carbono (CNT), micro-conchas de carbono (CMS) e grafeno.

[0094] A invenção é descrita por meio dos seguintes exemplos não limitativos.

Experimental

[0095] Uma série de experiências foram realizadas para otimizar a produção da morfologia desejada. As Figuras 4 e 5 mostram os resultados dos testes de efeito de temperatura e pressão sobre a morfologia do carbono produzido. Ambos os exemplos utilizaram um catalisador de hematita de grau analítico reduzido abaixo de 5 μm.

[0096] Uma série de testes foram concluídos em toda a faixa de temperatura de 650°C e 950°C em incrementos de 50°C e 0 bar(g) para 8 bar(g) em incrementos de 1 bar.

[0097] A Figura 4 mostra o efeito que o aumento da temperatura tem na morfologia quando a pressão é mantida a pressão atmosférica constante. Como pode ser visto a partir dos resultados, a temperatura mais baixa de~650°C favoreceu a síntese do grafeno. À medida que a temperatura aumentava, a síntese de CNOs tornou-se favorável.

[0098] A Figura 5 mostra o efeito que o aumento da pressão tem sobre a morfologia quando a temperatura é mantida a 850°C. Como pode ser visto a partir dos resultados, a menor pressão favoreceu a síntese de CNOs. À medida que a pressão aumentava, a síntese de CMSs tornou-se favorável.

[0099] A Tabela 1 mostra as condições preferidas e o faixa de condições para sintetizar seletivamente cada morfologia. As figuras entre parênteses são a faixa total de condições que sintetizam seletivamente a morfologia especificada. A figura que precede os parênteses é a compreensão dos inventores sobre a condição preferida.

Tabela 1: Condições preferidas para cada morfologia de grafite CNOs

[00100] CNOs foram sintetizados seletivamente em cerca de 90%, utilizando catalisador de hematita a 800-900°C e à pressão atmosférica. O rendimento de CNO após 19 horas de reação foi de aproximadamente 8 gramas de CNO por grama de ferro elementar. A seletividade para CNOs diminuiu com o aumento da pressão e a formação de CMS foi favorecida acima de ~ 4 bar(g). A Figura 6 mostra uma imagem de microscópio eletrônico de varredura (SEM) de CNO produzido a 900°C e à pressão atmosférica usando catalisador de óxido de ferro de hematita. A Figura 7 mostra uma imagem de microscópio eletrônico de túneis (TEM) de CNO produzido a 900°C e à pressão atmosférica usando catalisador de óxido de ferro de hematita.

CMS

[00101] CMSs foram sintetizados seletivamente em cerca de 90%, utilizando catalisador de hematita a 850°C e à pressão de 8 bar(g). Estas morfologias só são observadas a pressões superiores a 4 bar(g). O rendimento de CMS após 19 horas de reação foi de aproximadamente 20 gramas de CMS por grama de ferro. A Figura 8 mostra uma imagem SEM de CMS produzido a 850oC usando o óxido de ferro de hematita como catalisador a uma pressão de 8 bar(g). A Figura 9 mostra uma imagem TEM de CMS produzido a 850°C usando hematita a pressão de 8 bar(g).

Fibras grafíticas/CNTs

[00102] Fibras grafíticas/CNTs foram sintetizados seletivamente em cerca de 50%, utilizando catalisador de óxido de ferro goethita em 800°C e à pressão atmosférica. O rendimento de CNT após 19 horas de reação foi de aproximadamente 4 gramas de CNT por grama de ferro. A Figura 10 mostra uma imagem SEM de CNT produzido a 800°C usando o óxido de ferro de goethita como catalisador a uma pressão atmosférica. A Figura 11 mostra uma imagem TEM de CMS produzido a 800°C usando o óxido de ferro de hematita como catalisador a uma pressão atmosférica. Grafeno Grafeno foi sintetizado seletivamente em cerca de 80%, utilizando catalisador de óxido de ferro de hematita a 650°C e à pressão atmosférica. O rendimento de grafeno após 24 horas de reação foi de aproximadamente 4 gramas de grafeno por grama de ferro. A Figura 12 mostra uma imagem SEM de Grafeno produzido a 650°C usando o óxido de ferro de hematita como catalisador a uma pressão atmosférica. A Figura 13 mostra uma imagem TEM de Grafeno produzido a 650°C usando o óxido de ferro de hematita como catalisador a uma pressão atmosférica.

Tabela 2: Testes adicionais para morfologias preferidas de CNO e/ou CMS

[00103] Além dos experimentos estabelecidos na Tabela 1, o gás metano foi passado sobre um óxido de ferro sintético ou um minério de óxido de ferro às pressões e temperaturas mostradas na Tabela 2. Estes resultados mostram que a pressões de 4 bar(g) a 8 bar(g) e as temperaturas mais baixas de 750-8000C, a seletividade para a CNO aumenta. A temperaturas mais elevadas sob as mesmas pressões, a seletividade para CMS aumenta.

[00104] Embora a presente invenção não esteja limitada ao seu uso, o requerente descobriu que, através da utilização de catalisadores não sintéticos, o carbono sólido grafítico pode ser produzido a baixo custo e em um método facilmente escalável.

[00105] Embora os exemplos acima usem amostras de óxido de ferro, prevê-se que a substituição de óxido de ferro por outros catalisadores contendo metal afetará a morfologia do grafite produzido. Exemplos de outros minérios metálicos que podem ser incluídos são níquel, cobalto e ouro.

[00106] O requerente descobriu que, pela seleção do catalisador contendo metal e a temperatura e pressão de reação, a morfologia do carbono sólido grafítico pode ser controlada. Como mostrado nos exemplos, um único catalisador (óxido de ferro de hematita) pode ser usado para produzir seletivamente uma das três morfologias diferentes através do controle da temperatura e pressão, enquanto a substituição do óxido de ferro de hematita com óxido de ferro de goethita em condições similares produz uma morfologia diferente.

[00107] O processo da presente invenção é particularmente vantajoso em relação aos processos do estado da técnica que requerem catalisadores especiais de alta pureza que são adaptados para determinadas morfologias. Tais catalisadores, como por exemplo nano-haste Fe2O3 , são muito caras de produzir e existem dificuldades associadas à sua produção em grande escala. Juntamente com o aumento da despesa de produção, esses catalisadores requerem suportes inertes especializados para aumentar a área superficial do elemento catalítico ativo, aumentando assim a atividade catalítica. Não só os suportes inerentes especializados aumentam o custo do processo, mas são adaptados a catalisadores específicos e não permitem o controle da morfologia do grafite produzido. Ao contrário destes métodos anteriores, o processo da presente invenção pode vantajosamente produzir diferentes morfologias de grafite, sem a necessidade do catalisador suportado.

[00108] Os versados na técnica apreciarão que ainvenção descrita neste documento é suscetível a variações emodificações diferentes daquelas especificamente descritas. A invenção inclui todas essas variações e modificações. A invenção também inclui todas as etapas, características, formulações e composiçõesmencionadas ou indicadas neste relatório descritivo, individualmente oucoletivamente, e quaisquer e todas as combinações ou quaisquer duas oumais das etapas ou características.

Claims

1. Processo de controle da morfologia de grafite em um processo para a produção de grafite, caracterizado pelo fato de que compreende: o contato a temperatura elevada, um catalisador de óxido de ferro com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto a hidrogênio e carbono; em que a temperatura está entre 600°C e 1000°C e uma pressão entre 1 bar (g) e 10 bar (g), e em que tanto a temperatura quanto a pressão são ajustadas dentro de faixas de valores predeterminados para sintetizar seletivamente material grafítico selecionado a partir do grupo que consiste em fibras de grafite, nanoconversões de carbono (CNOs), micro-conchas de carbono (CMSs) e/ou grafeno, e em que o gás hidrocarboneto é metano e/ou gás natural.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o catalisador de óxido de ferro é selecionado a partir de Fe2O3 e Fe3O4 ou qualquer mistura dos mesmos.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o catalisador de óxido de ferro é selecionado a partir de minério de ferro de hematita, minério de ferro de goethita ou qualquer mistura dos mesmos.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o catalisador de óxido de ferro é não suportado.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o catalisador de óxido de ferro é suportado em um suporte.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o suporte é da mesma composição química que o catalisador de óxido de ferro.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os CNOs são sintetizados seletivamente em que a etapa de: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador de um óxido de ferro com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, é conduzido a uma temperatura entre 700°C a 900°C e uma pressão entre 1 bar (g) a 8 bar (g), e em que o gás hidrocarboneto é metano e/ou gás natural.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a temperatura é de 800°C a 900°C e a pressão é de 2 bar (g) para 4 bar (g).

9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que as fibras grafíticas são sintetizadas seletivamente em que a etapa de: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador de óxido de ferro com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, é conduzida a uma temperatura de 700°C a 900°C e uma pressão entre 1 bar (g) a 8 bar (g) e o catalisador de óxido de ferro é o óxido de ferro de goethita, e em que o gás hidrocarboneto é metano e/ou gás natural.

10. Processo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a temperatura é de 750°C a 850°C e a pressão é de 1 bar (g) para 4 bar (g).

11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a CMS é sintetizada seletivamente em que a etapa de: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador de óxido de ferro com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono, é conduzida a uma temperatura de 800°C a 900°C e uma pressão entre 4 bar (g) e 9 bar (g), e em que o gás hidrocarboneto é metano e/ou gás natural.

12. Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a temperatura é de 850°C a 900°C e a pressão é de 6 bar (g) para 8 bar (g).

13. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o grafeno é sintetizado seletivamente em que a etapa de: o contato a temperaturas elevadas de um catalisador de óxido de ferro com um gás de hidrocarboneto para converter cataliticamente pelo menos uma porção do gás de hidrocarboneto em hidrogênio e carbono é conduzida a uma temperatura de 600°C a 750°C e a pressão é de 1 bar (g), e em que o gás hidrocarboneto é metano e/ou gás natural.

14. Processo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a temperatura é de 600°C a 700°C.

15. Nanocebolas de carbono (CNOs), caracterizadas pelo fato de que são produzidas pelo processo conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.

16. Fibras de grafite, caracterizadas pelo fato de que são produzidas pelo processo conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6 ou 9 a 10.

17. Micro-conchas de carbono (CMSs), caracterizadas pelo fato de que são produzidas pelo processo conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6 ou 11 a 12.

18. Grafeno, caracterizado pelo fato de que é produzido pelo processo conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6 ou 13 a 14.