Producción de hidrógeno a partir de etanol mediante el empleo de catalizadores de níquel soportados sobre materiales silíceos dopados con cerio y zirconio

Abstract

El incremento del consumo energético, la disminución progresiva de las reservas de combustibles fósiles y los problemas de contaminación ambiental asociados a su combustión, han propiciado la búsqueda de nuevos vectores energéticos. El hidrógeno se presenta pues como uno de los candidatos ideales, ya que es un combustible limpio, siempre que se produzca a partir de energías renovables como puede ser el bio-etanol. Por su elevada eficiencia y bajo coste, en el presente proyecto de investigación se estudiará la producción de hidrógeno mediante reformado con vapor de etanol. Para ello, se prepararán diferentes catalizadores de níquel soportados sobre sílice (SiO2) y dopados con distintas proporciones de cerio y/o zirconio; con el fin de conferir mayor estabilidad a los catalizadores y reducir la producción de coque, el cual es el principal problema de los catalizadores de níquel soportados sobre sílice en la reacción de reformado con vapor, hecho que se ha podido comprobar en estudios previos realizados en la Universidad Rey Juan Carlos. Todos los catalizadores preparados en el presente proyecto se prepararán mediante la técnica de impregnación a humedad incipiente. Así, se prepararán: un catalizador de níquel-sílice (Ni/S) de referencia, uno de níquel-cerio-sílice (Ni/Ce10S) y otro de níquel-zirconio-sílice (Ni/Zr10S) con los que se estudiará el efecto por separado de los agentes dopantes cerio y zirconio, y varios catalizadores de níquel soportados sobre sílice y dopados con distintas proporciones de cerio y zirconio (Ni/Ce5Zr5S, Ni/Ce7,5Zr2,5S y Ni/Ce2,5Zr7,5S) con los que se estudiará el efecto conjunto de ambos dopantes. Con esto, se intentara llegar a la configuración más adecuada, que nos permita obtener un catalizador con buenas propiedades estructurales y fisicoquímicas, que maximice la producción de hidrógeno en la reacción de reformado con vapor de etanol y que minimice la formación de monóxido de carbono y coque. Mediante la caracterización de materiales se estudiarán las propiedades estructurales y físico-químicas tanto de los soportes como de los catalizadores calcinados, reducidos y usados; con el objetivo de estudiar los cambios producidos en los materiales durante las diferentes etapas de la preparación y vida del catalizador. Para ello se utilizaron las siguientes técnicas: análisis textural BET mediante adsorción/desorción con N2 a 77 K, difracción de rayos X (DRX), espectroscopia de emisión atómica con fuente de plasma de acoplamiento inductivo (ICP-AES), reducción térmica programada (TPR), desorción térmica programada de amoniaco (TPD), termogravimetría (TG) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Por último, se someterá a cada uno de los catalizadores preparados a la reacción de reformado con vapor de etanol, en un reactor de lecho fijo, a 600 ºC de temperatura, durante 8 horas y se tomarán muestras de los productos de reacción cada hora. Con esto se estudiará el progreso de la reacción en los distintos casos y se intentará llegar a un resultado que indique la configuración más adecuada del catalizador que conduzca a la mayor selectividad hacia el hidrógeno y la mejor distribución de productos, minimizando la presencia de CO y la producción de coque. Respecto a los resultados obtenidos, todos los catalizadores, a excepción del Ni/S, presentan conversión completa de etanol, y la selectividad hacia el hidrógeno aumenta al aumentar la relación Zr/Ce. El zirconio favorece la dispersión de la fase activa en el catalizador y los tamaños de cristal de níquel disminuyen según aumenta la relación Zr/Ce. El cerio favorece la movilidad del oxígeno, disminuyendo la formación de coque y aumenta la reducibilidad de los catalizadores. La formación de coque es relativamente alta para todos los catalizadores, siendo esta función de la acidez de los catalizadores y del tamaño de cristal del níquel. Considerando los resultados obtenidos para todos los catalizadores preparados y teniendo en cuenta su conversión completa de etanol, su alta selectividad hacia los productos de reacción y su menor producción de coque, se puede concluir que los mejores resultados para la reacción de reformado con vapor de etanol se obtuvieron con el catalizador Ni/Ce2,5Zr7,5S.