Estudio operando-FTIR de la metanación de Co sobre catalizadores Co y estudio cinético sobre Ni y Ni-CO

Abstract

La creciente necesidad energética del mundo justifica el valor académico y social de las investigaciones enfocadas a la generación de energía por medio de procesos controlados. Así, en este trabajo se realizó un estudio de la reacción de hidrogenación de CO, en condiciones experimentales que favorecen la generación de gas natural sintético (específicamente CH4), a partir de reactivos que pueden ser obtenidos de la gasificación de biomasa. Este documento se divide en dos secciones principales: En la primera sección, se estudió el efecto del grado de coordinación de los átomos de cobalto superficiales sobre su actividad para la reacción de metanación de CO; así, se demostró la sensibilidad estructural de esta reacción a partir de la evaluación del comportamiento de tres catalizadores Co/SiO2 con diferentes tamaños medios de clúster: Co-4nm, Co-13nm y Co-33nm (la denominación corresponde al tamaño medio de nanopartícula de cobalto). La reacción de metanación de monóxido de carbono se estudió a través de ensayos en un reactor de lecho fijo y en una celda-reactor infrarrojo en modo operando. Además, se investigó la adsorción de CO mediante Operando-FTIR, utilizando diferentes presiones parciales de CO (0.25 - 2 kPa), de H2 (10 - 35 kPa), y temperaturas (150°C-300°C). De acuerdo a las mediciones cinéticas junto con las mediciones en modo operando, se obtuvo que los catalizadores de cobalto presentan una heterogeneidad superficial que afecta su desempeño catalítico. Así, se estableció que el efecto del tamaño de partícula de cobalto tiene su origen en la existencia de sitios específicos compuestos por 5 átomos de cobalto (B5), que no estarían presentes en partículas con diámetros mayores a 10 nm. Lo anterior fue establecido gracias a la ayuda de dos metodologías experimentales independientes (operando-FTIR y reactor lecho fijo) y un modelo de reacción denominado en esta tesis como Temkin-Langmuir. En la segunda sección, se prepararon, caracterizaron y evaluaron cinéticamente catalizadores bimetálicos soportados en SiO2: NiCo(1-4), NiCo(2.5-2.5) y NiCo(4-1), además de un catalizador monometálico Ni(5) (los valores en paréntesis corresponden al porcentaje másico de Ni y Co respectivamente). De esta manera, se investigó el posible efecto sinérgico de fases bimetálicas, para la reacción de metanación de CO. Los resultados mostraron una sinergia para los catalizadores bimetálicos al ser comparado con los catalizadores monometálicos de cobalto (Co-4nm) y níquel (Ni(5)) de diámetros de partícula similares. En la mayoría de las condiciones experimentales, el orden decreciente de la actividad catalítica específica de consumo de CO fue: NiCo(1-4)> NiCo(2.5-2.5) > Co-4nm> NiCo(4-1)> Ni(5). Al analizar con mayor sutileza se obtuvo que la mayor actividad específica del catalizador NiCo(1-4) podría estar influenciada por su mayor tamaño medio de nanopartícula (9 nm) comparado con el resto de los catalizadores (4-6 nm)