Desenvolvimento de materiais catalíticos para decomposição do N2O para aplicações aeroespaciais

• Ano de defesa: 2015
• Autor(a) principal: Sayuri Okamoto
• Orientador(a): Ricardo Vieira
• Banca de defesa: Turíbio Gomes Soares Neto, Sérgio Luiz Mineiro, Luiz Claudio Antunes Bastos, Gilberto Garcia Cortez
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
• País: BR
• Resumo em Inglês: The objective of this work was the development of bulk catalyst based on cobalt, manganese and aluminium oxide with spinel structure for nitrous oxide decomposition reaction applied to microthruster of 2 N with ignition temperature less than 773 K. Initially were studied modification on physical-chemical and textural properties on obtained pellets using a variety of synthesis methods as hydrothermal, coprecipitation, sol-gel and sol-combustion. Only the coprecipitation method using two different precipitation agents (KOH and K$_{2}$CO$_{3}$) allowed conformable materials. Later, the influence of different molar ratio of metallic cations (Co:Mn:Al) was investigated. In laboratory scale tests the molar ratio of 4:1:1 presented better catalytic activity and presented redox par Co$^{2+}$/Co$^{3+}$ on its surface composition. All the materials were characterized using X-ray diffraction, nitrogen adsorption, nitrous oxide desorption in programmed temperature, X-ray photoeletronic emission spectrometry and thermogravimmetry technics. The catalytic chamber dimensions were optimized using Design of Experiments methods. For this purpose, modular thrusters with different geometries containing molar ratio 4:1:1 were used. Finally, a microthruster with theoretical thrust of 2 N was manufactured where all the tests campaign where performed. This campaign was composed of continuous and pulsed fires monitoring pressure, thrust and temperatures of the system. The tests results obtained for 4Co1Mn1Al (4:1:1) using this microthruster were compared with one employing 5\% Rh$_{2}$O$_{3}$/Al$_{2}$O$_{3}$, a traditional catalyst used for nitrous oxide decomposition. The exhaust characteristic velocity efficiency for 4Co1Mn1Al was 97.5\% which is superior of the value obtained for 5\% Rh$_{2}$O$_{3}$/Al$_{2}$O$_{3}$ of 62.5\%.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/10.26.10.56

Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um catalisador mássico à base de óxidos de cobalto, manganês e alumínio, com estrutura do tipo espinélio, capaz de decompor espontaneamente o óxido nitroso (N$_{2}$O) para emprego em um propulsor de 2 N, buscando sempre temperaturas de ignição da reação inferiores a 773 K. Inicialmente foram estudadas as alterações nas propriedades físico-químicas e texturais dos pellets obtidos, a partir de diversas técnicas de sínteses destes materiais, tais como: tratamento hidrotérmico, coprecipitação, sol-gel e sol-combustão. O método de síntese por coprecipitação, com emprego de dois agentes precipitantes (KOH e K$_{2}$CO$_{3}$), foi o único que gerou um material moldável. Foi também estudada a influência da variação da razão molar dos cátions metálicos (Co:Mn:Al) na decomposição do N$_{2}$O. Testes de bancada mostraram que a razão molar 4:1:1 foi aquela que apresentou a maior atividade catalítica, devida a presença do par redox Co$^{2+}$/Co$^{3+}$. Os materiais foram caracterizados por Difratometria de Raios X, Adsorção de Nitrogênio, Dessorção de N$_{2}$O a Temperatura Programada, Espectrometria Fotoeletrônica de Raios X e Termogravimetria. Posteriormente, foram otimizadas as dimensões geométricas do leito catalítico do micropropulsor de 2 N, empregando a metodologia de Planejamento de Experimentos. Para tanto, foi feito um propulsor em módulos, com diferentes geometrias do leito catalítico, carregado com o material contendo a razão molar 4:1:1. Finalmente, foi fabricado um micropropulsor com empuxo teórico de 2 N, onde foram efetuadas campanhas de testes compostas de tiros contínuos e pulsados, sendo monitorado o empuxo, a pressão e a temperatura do sistema. Os resultados obtidos com o catalisador 4Co1Mn1Al (4:1:1) neste propulsor, foram comparados com os do catalisador (5\% Rh$_{2}$O$_{3}$/Al$_{2}$O$_{3}$) tradicionalmente empregado na decomposição do N$_{2}$O. O catalisador 4Co1Mn1Al apresentou maior atividade nesta reação, exibindo uma eficiência da velocidade característica em torno de 97,5\%, valor este bem superior àquele obtido pelo catalisador tradicional de 62,5\%.