Síntesis y caracterización de nuevos catalizadores metálicos para la descomposición catalítica de metano

Abstract

Teniendo en cuenta que el progreso en nuestra sociedad está basado en la utilización de combustibles fósiles, cada día más limitados y con un impacto negativo en el medio ambiente, es necesario el desarrollo de vías alternativas para la producción de una energía renovable respetuosa con el medio ambiente. Dentro de este marco energético, el hidrógeno se plantea como una opción viable, ya que es un combustible limpio, fácilmente almacenable y se puede obtener a partir una gran variedad de procesos en función de la materia prima utilizada. De entre la gran variedad de tecnologías utilizadas para la producción de H2, la descomposición catalítica de metano se presenta como una alternativa muy prometedora ya que produce un hidrógeno limpio (sin emisiones de CO2). Por otra parte, cabe destacar que como subproducto se obtiene carbón que puede ser utilizado en procesos relacionados con la energía, la construcción o la agricultura entre otros. El objetivo principal del presente trabajo de investigación es el desarrollo de sistemas metálicos activos en la producción de hidrógeno por descomposición catalítica de metano. Con este fin se diseñaron diferentes estructuras sintéticas para llevar a cabo la incorporación la fase activa (Co y Fe) en distintos soportes meso-estructurados (SBA-15 Y MCM-41). El desarrollo experimental en la etapa síntesis se centró en la utilización de diferentes métodos de impregnación con el fin de optimizar la inclusión de la carga metálica en los diferentes catalizadores utilizados en este proyecto. Estos sistemas sintetizados fueron exhaustivamente caracterizados por diferentes técnicas (Termogravimetría, Adsorción-desorción de N2, Difracción de rayos X y Reducción a temperatura programada) con el fin de estudiar sus propiedades texturales, estructurales y redox. Además, los sistemas preparados se evaluaron en la producción de H2 por descomposición de metano. Durante el desarrollo de este proyecto se han preparado veinticuatro sistemas catalíticos. La caracterización de los mismos, reveló que la variación en el método de inclusión de le fase activa metálica en los sistemas mesoporosos, conduce a materiales con diferentes propiedades. Las propiedades texturales de los soportes mesoporosos se ven afectadas al llevar a cabo la introducción de la fase metálica, siendo determinante el método de síntesis utilizado en cada caso. Así, los sistemas preparados sobre MCM-41 presentaron variaciones más significativas en el área superficial específica y en el volumen de poro que los soportados en SBA-15. Los estudios de difracción de rayos X (DRX) a bajo ángulo revelaron variaciones en la estructura mesoscópica siendo éstas más acentuadas en los en los catalizadores basados en Co soportados en SBA-15. Además, los estudios relativos al espesor de pared mostraron que el método de síntesis tiene gran influencia en la disposición de la fase metálica dentro de los canales mesoporosos. Por otra parte, en los estudios estructurales por DRX de alto ángulo se determinó que los sistemas basados en cobalto presentan un ordenamiento cristalino, observándose la fase de espinela de cobalto (Co3O4) en todos los casos. Por el contrario, los catalizadores de hierro no presentaron ordenamiento cristalino. Los estudios de reducción a temperatura programada revelaron que la mayoría de los sistemas de cobalto y hierro soportados en SBA-15 y MCM-41 presentaron, además una fuerte interacción metal-soporte (FIMS), que da lugar al uso de elevadas temperaturas para llevar a cabo la reducción total de los sistemas. Este efecto FIMS de reducción de los sistemas es dependiente del método de síntesis utilizado, siendo más significativo en el caso de los catalizadores de cobalto sobre MCM-41. Los ensayos catalíticos de los diferentes catalizadores sintetizados mostraron que todos los sistemas son activos en la producción de hidrógeno por descomposición catalítica de metano, si bien los sistemas de hierro presentan una baja actividad. En lo que se refiere a los catalizadores de cobalto, son los soportados sobre SBA-15 los que muestran un rendimiento en la producción de hidrógeno. En este caso, el método de síntesis también tiene una gran relevancia, así el catalizador que presenta una mayor producción de H2 es el sistema preparado sobre SBA-15 con impregnación húmeda usando agua. Aunque, cabe destacar que los sistemas más prometedores son los soportados sobre SBA-15 preparados con etanol, que a pesar de presentar una ligera disminución en la producción de hidrógeno poseen menores temperaturas de operación. Gracias al trabajo de optimización en la metodología de síntesis de catalizadores metálicos soportados sobre materiales mesoporosos, se han obtenido sistemas catalíticos altamente activos en la producción de H2 por descomposición catalítica de metano. Estos resultados conducen a la conclusión que el método de preparación de estos materiales es determinante en sus propiedades catalíticas.