Preparación de catalizadores CuCeOx/TiO2 para la síntesis de metanol.

Abstract

El incremento en la concentración de CO2 atmosférico debido al uso de combustibles fósiles es hoy en día una de las principales causas del cambio climático. Para hacer frente a dicho inconveniente, se ha estudiado como alternativa el uso de e-fuels. Dichos combustibles pueden ser producidos a partir de metanol mediante un proceso libre de emisiones de carbono, tan sólo desde H2 verde y captura de CO2 atmosférico o generado por las industrias. Para ello, es fundamental el estudio de catalizadores eficientes para la síntesis de CH3OH. En el presente trabajo se sintetizaron catalizadores de CuCeOx/TiO2 mediante el método de precipitación-deposición. Se estudió el efecto de la composición de los metales en los catalizadores y de las condiciones de preparación. Las muestras se caracterizaron mediante análisis XRD, ICP-OES, FTIR y fisisorción de N2. Se observó que el pH, el tiempo de envejecimiento y el agente precipitante en las muestras son determinantes en la precipitación adecuada de los metales y por tanto en la preparación eficiente de catalizadores. Se estudió la actividad de los catalizadores en un reactor para la síntesis de metanol a partir de H2 y CO2. Se varió la temperatura, las presiones parciales de los reactivos, el tiempo de residencia y la presión total del sistema. Se evaluaron los catalizadores de acuerdo con la conversión, selectividad, velocidades de reacción, energías de activación y órdenes aparentes obtenidos. Se observó que el aumento en el contenido de cobre favorecería la adsorción de CO2, aumentando así la conversión, y a través de las selectividades se advirtió que el proceso se dirigiría principalmente hacia la síntesis de CO y no hacia la síntesis de CH3OH. Desde la comparación de las velocidades de ambas reacciones, se sugiere que el cobre metálico generaría sitios activos que favorecerían la r-WGSR. Por otro lado, se supone que la síntesis de CH3OH tendría lugar en la interfaz cobre-ceria. Los resultados obtenidos desde los órdenes de reacción exhibirían que la secuencia de pasos elementales sería la misma, mas las energías de activación sugerirían que la naturaleza de los sitios y la ruta energética para ambas reacciones sería distinta. Se concluyó que el método estudiado sería efectivo para la síntesis de catalizadores CuCeOx/TiO2 a mayor escala, y que las condiciones de preparación serían determinantes en las propiedades fisicoquímicas de los mismos. Además, un aumento en el contenido de cobre significaría mejoras en la actividad catalítica de la reacción, y dirigiría el proceso hacia la r-WGSR.

One of the main causes of climate change is the increase in the atmospheric CO2 concentration due to the use of fossil fuels. The use of e-fuels has been investigated to face this problem. E-fuels can be produced from methanol through a free carbon emission process, just from green H2 and CO2 captured from the atmosphere or generated by the industries. In this scenery, the study of efficient catalysts for CH3OH synthesis is essential. In this work, CuCeOx/TiO2 catalysts were synthesized using a deposition-precipitation method. The effect of metal’s composition on the catalysts and the preparation conditions were studied. The catalysts were characterized by XRD, ICP-OES, FTIR and N2 physisorption. It was observed that pH, aging time, and precipitating agent are determining factors for an effective metal precipitation, and hence the preparation of efficient catalysts. The activity of the catalysts was tested in a reactor for methanol synthesis from H2 and CO2. Temperature, partial pressures of the reactants, time of residence and total pressure were varied. The catalysts were evaluated according to the conversion, selectivity, reaction rates, activation energies and apparent orders obtained. It was observed that an increase in the copper content favors the CO2 adsorption by increasing the conversion of the reactant. The selectivity obtained showed that the process would be directed towards to CO synthesis rather than to CH3OH synthesis. Comparing both reaction rates, it was found that copper would generate active sites for r-WGSR, which are believed to be localized in the metallic copper. On the other hand, it CH3OH synthesis occurred in the copper-ceria interface. The reaction orders showed that the sequence of elemental steps would be the same, while the activation energies exhibited that the nature of the sites and the energetic route for both reactions was different. It was concluded that the method studied is effective for CuCeOx/TiO2 catalysts synthesis in a larger scale, and preparation conditions are determining in the physicochemical properties of the catalysts. An increase on copper content would promote the catalytic activity, as the process would be directed mainly to the r-WGSR.