Catalizadores anódicos de pilas de combustible de metanol directo (Pd/Sm2O3-CeO2): Influencia del método de preparación en la producción de hidrógeno

Abstract

El presente proyecto forma parte de la línea de investigación desarrollada por el Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos sobre producción y almacenamiento de hidrógeno. La dependencia de la energía y, más aún, de los combustibles fósiles, se hace cada vez más patente en prácticamente todos los ámbitos de la vida. Este tipo de combustibles cuenta con numerosos inconvenientes, en particular, el agotamiento paulatino de las reservas y su impacto ambiental durante la extracción y uso de los recursos. Ello alerta de la necesidad de investigar alternativas energéticas. Una de las respuestas a la previsible crisis energética que se avecina es el uso de hidrógeno como vector energético. El hidrógeno requiere de una fuente de energía primaria para producirlo y el objetivo es que con el paso del tiempo el principal sistema de producción sean las energías renovables. Ello originaría un desplazamiento de la actual ¿economía de los combustibles fósiles¿ por la denominada ¿economía del hidrógeno¿, aunque lógicamente dicho cambio requiere de una transición. No obstante, es necesario que el proceso global sea rentable, es decir, que tanto la producción como el almacenamiento sean eficientes. Además, la transformación del hidrógeno en electricidad a través de las denominadas pilas de combustible, a partir de una reacción que aprovecha la energía química acumulada en el enlace H-H de la molécula H2, contribuye a asegurar el suministro necesario de energía. La producción de hidrógeno a partir de bioalcoholes, en concreto de metanol, se convierte en un método adecuado para la obtención de hidrógeno, pues cuando se parte de la biomasa, se emite el mismo CO2 que se fija durante su crecimiento, por lo que las emisiones netas son nulas. Por otro lado, las pilas de metanol directo donde se sustituye la carga del hidrógeno por metanol para que la pila lo emplee de forma directa, evita la etapa previa de reformado para producir H2. En este sentido, destacan las pilas de combustible de metanol directo de óxidos sólidos (DM-SOFC), debido a la versatilidad en la elección del combustible y el aprovechamiento de calor que desprende la celda, para evaporar el agua. Sin embargo, en estas pilas, el metanol debe ser transformado previamente en H2 en el ánodo. Entre los materiales empleados como ánodo de estas pilas destaca el óxido de cerio dopado con samario, mientras que entre los catalizadores empleados en la producción de hidrógeno a partir de metanol, destaca el paladio. Por tanto, en este proyecto se ha realizado el estudio de una serie de catalizadores de paladio soportados sobre ceria dopada con samario (SDC), obtenido como óxido mixto, para la obtención de hidrógeno mediante la reacción de reformado de metanol con vapor de agua. La fase activa (2% Pd) se agregó al soporte mediante diferentes métodos: impregnación a humedad incipiente con una disolución acuosa de H2PdCl4 (pH<1), impregnación a humedad incipiente con una disolución acuosa de Pd(NO3)2·2H2O y síntesis directa mediante complejación con citrato. Dentro de cada método, se prepararon catalizadores con diferentes contenidos de samario, entre 10 y 30% en peso. La caracterización de los catalizadores se realizó mediante adsorción/desorción de N2 a 77K, espectroscopía de emisión atómica (ICP-AES) y espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS). A partir de dichas técnicas, se observó cómo en los catalizadores obtenidos por síntesis directa, como consecuencia de la mezcla de las especies de Pd, Ce y Sm, parte del paladio añadido se encuentra en el interior de las partículas. Por otro lado, los catalizadores impregnados presentan mayor contenido de paladio en la superficie, aunque en los que se preparon con H2PdCl4, al usar medio ácido, se produce la disolución de parte del Sm3+ durante la impregnación y posterior reprecipitación, recubriendo parte de las partículas de paladio. Como consecuencia, los catalizadores preparados por impregnación con Pd(NO3)2·2H2O, dan lugar tanto a una mayor conversión de metanol, llegando al 98%mol, como a un mayor rendimiento a hidrógeno, alcanzando 229,9%mol. En cuanto al contenido en samario, en los catalizadores preparados mediante síntesis directa, a medida que se incrementa el contenido en Sm, aumenta la conversión de metanol, ya que el Sm2O3, provee de centros básicos activos alrededor de las partículas de Pd, lo que promueve la adsorción de los reactivos y favorece la difusión superficial de los intermedios de reacción. En lo catalizadores impregnados con mayor contenido en samario, se obtiene que a medida que se incrementa dicho componente, disminuye el área BET y el paladio en superficie, mientras que aumentan los centros básicos activos. Así los mejores resultados catalíticos se obtienen con el catalizador Pd/20 SDC-B.