Estudo da cinética de redução do óxido de cobalto (Co₃O₄) por plasma de hidrogênio em baixas temperaturas

Abstract

RESUMO: O presente trabalho visa estudar em baixas temperaturas a cinética de redução de pós de óxido de cobalto (Co₃O₄) usando como agente redutor tanto o gás de hidrogênio quanto o plasma frio de hidrogênio, novo processo proposto para obtenção de cobalto a partir do seu oxido. Os experimentos de redução a plasma do Co₃O₄ foram realizados em um reator a plasma pulsado, tensão entre eletrodos de 540V, sob atmosfera contendo 100% de hidrogênio, fluxo de 300 cm3/min, pressão de 533 Pa, por tempos variáveis e nas temperaturas de 250ºC, 300ºC, 350ºC e 380°C. Após os experimentos de redução, as partículas de óxido foram caracterizadas por difração de raios x, gravimetria, microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados mostram que o plasma frio de hidrogênio como agente redutor propicia um aumento considerável na cinética de redução de pós de óxido de cobalto (Co₃O₄), para temperaturas de redução entre 250 e 300ºC. Em temperaturas de 350 e 380°C, praticamente são iguais as cinéticas de redução a plasma e a gás. Tanto na redução a plasma quanto na redução a gás, as partículas de pó de oxido de cobalto se transformam em duas etapas: Co₃O₄ → CoO → Co. Após redução, na parte mais externa das partículas existem altas concentrações de cobalto enquanto na interna, altas concentrações de oxigênio, sugerindo que a redução se da da superfície para o núcleo. Em temperaturas entre 300 e 380°C, a difusão e o principal mecanismo controlador da redução, ao passo que em baixas temperaturas, como a de 250°C, reações topoquímicas tendem a controlar a redução das partículas de oxido de cobalto. A energia de ativação para a redução do oxido de cobalto sob plasma de hidrogênio e de 35,38 kJ/mol, valor aproximadamente 2,5 vezes menor que aquele encontrado para a redução por gás hidrogênio (90,79 kJ/mol).

ABSTRACT: The goal of this work is to study the reduction kinetics at low temperatures of cobalt oxide (Co₃O₄) powders using as reducing agent both hydrogen gas and hydrogen plasma, which can become a new reduction method. Reduction experiments were carried out in a DC pulsed plasma reactor, voltage of 540V, using hydrogen flow-rates of 300 cm3/min, pressures of 532 Pa, reduction times from 30 to 120 minutes and temperatures of 250°C, 300°C, 350oC and 380ºC. Co₃O₄ powders after reduction experiments were characterized by x – ray diffraction (XRD), weight loss of oxygen (gravimetric analyses), light microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). The results show that plasma hydrogen as a reducing agent promotes a significant increase in the reduction kinetics of Co3O4 powders at temperatures of 250oC and 300oC. At 350oC and 380oC, the reduction kinetics are about the same than the gas. The powder particles are transformed into two steps: Co₃O₄ → CoO → Co. After reduction, partially reduced particles have high cobalt concentration in the outermost layers and high oxygen concentrations in inner layers, suggesting that the reduction process takes place from the surface towards the core. At higher temperatures, as 380°C , reduction mechanism is ruled by diffusion, whereas topochemical reactions are dominant at lower temperatures, as 250 oC. Under hydrogen plasma, the activation energy experimentally determined for the reduction of Co3O4 particles is about 35.38 kJ/mol, which is about 2.5 times lower than that found for hydrogen gas (90.79 kJ/mol).