Funcionalización oxidativa de catalizadores carbonosos para su aplicación en la obtención de hidrógeno mediante descomposición termocatalítica de metano

Abstract

La actual preocupación por el agotamiento de las reservas naturales de combustibles fósiles y su contribución negativa en el medio ambiente suscita la búsqueda de alternativas más limpias. Entre estas posibilidades aparece el hidrógeno como combustible limpio y versátil, además de tener la capacidad actual de poder acoplarse a cualquier actividad. La limitación de este vector energético es conseguir un medio de obtención eficaz. Debido a la situación actual de calentamiento global, es importante desligar la producción del hidrógeno de las emisiones de CO2. Para ello, una opción que se está estudiando es la descomposición térmica de metano en hidrógeno y carbono sólido. Se trata de un proceso que requiere temperaturas elevadas de operación (>1100ºC). Sin embargo, usando diferentes tipos de catalizadores sólidos (metálicos o carbonosos), se permite disminuir notablemente la temperatura de operación (500-1100ºC). Recientemente se está optando por la utilización como catalizador de materiales puramente carbonosos. A pesar de que estos catalizadores carbonosos presentan en general una menor actividad y operan a temperaturas mayores que los catalizadores metálicos, evitan la desactivación de los catalizadores por deposición del carbono elemental sobre sus centros activos, como le ocurría a los catalizadores metálicos y por el contrario podrían dar lugar a un proceso autocatalítico en el que el mismo carbono producido durante la reacción de descomposición del metano actuará como catalizador de la misma. Además este proceso puede resultar ventajoso económicamente si el producto carbonoso obtenido es comercializado con un precio adecuado. La mayor o menor actividad de los catalizadores carbonosos en la descomposición termocatalítica está principalmente determinada por su origen, estructura y área superficial y, en general, los carbones sin ordenamiento molecular son catalíticamente más activos que los carbones ordenados debido a una mayor proporción de centros activos. Además, se ha demostrado, que muchas de las propiedades químicas de los catalizadores carbonosos, incluyendo su actividad catalítica, están relacionadas con la presencia de impurezas y de determinados grupos superficiales, siendo de particular interés los grupos oxigenados. La utilización de materiales carbonosos mesoestructurados como catalizadores en la producción de hidrógeno por descomposición de metano, se presenta como la alternativa más prometedora. La estructura porosa perfectamente definida, su carácter amorfo y el tamaño de poro medio, superior al de los carbones activados, le confieren a estos catalizadores carbonosos una actividad muy superior y una mejora de la resistencia a la desactivación que los carbones comerciales habituales. Además mediante el proceso de oxidación química se espera conseguir un incremento de la actividad catalítica del material al aumentar la proporción de grupos funcionales oxigenados superficiales que actúan como centros activos de la reacción, hecho no constatado experimentalmente como se verá en los resultados. En esta línea de investigación, en el presente proyecto, se ha realizado el estudio de la actividad catalítica de estos materiales carbonosos mesoestructurados para la reacción de descomposición térmica del metano, comparándolos frente a un catalizador carbonoso comercial. En concreto se ha estudiado la influencia de la superficie química de estos carbones en su actividad catalítica, para lo cual, los distintos carbones disponibles se oxidaron con diferentes concentraciones de ácido nítrico. Los catalizadores utilizados se caracterizaron mediante Difracción de Rayos-X (DRX), análisis de adsorción-desorción de N2l (BET), Microscopía de Transmisión de electrones (TEM), análisis elemental y análisis termogravimétrico (TG) (tanto en atmósfera oxidante como en atmósfera inerte), con el objeto de conocer su estructura, sus propiedades texturales y su composición química superficial. Los estudios de la actividad catalítica se llevaron a cabo en una termobalanza, comparando en primer lugar los materiales carbonosos mesoestructurados CMK-3 y CMK-5, sintetizados por el Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos, con un negro de carbono comercial CBbp. Se comprobó que para tiempos cortos de reacción los materiales mesoporosos de alto ordenamiento presentan una mayor actividad catalítica que los carbones comerciales habituales empleados en la reacción de descomposición termocatalítica de metano. En cuanto al estudio de la superficie química de los carbones se concluyo que el proceso de oxidación con HNO3, no resultaba beneficioso para ninguno de los materiales carbonosos empleados. En el caso del material carbonoso CMK-3 no produce efecto alguno en lo que a incremento de actividad catalítica se refiere, por el contrario provoca una importante pérdida de actividad catalítica en los otros dos materiales, el CBbp y el CMK-5, posiblemente debido sobre todo a la degradación estructural provocada en estos materiales durante el proceso de oxidación con HNO3.