Catalizadores micro- y nanoestructurados para la oxidación de hidrocarburos y producción de hidrógeno

Résumé

El estudio recogido en la presente Tesis Doctoral está motivado por los crecientes esfuerzos que la comunidad científica está dedicando a la búsqueda de soluciones para la problemática medioambiental existente en la sociedad actual, así como el interés en la síntesis de productos químicos de interés industrial. En este sentido, el estudio y el desarrollo de catalizadores y fotocatalizadores tanto en forma de polvo o como relleno en microrreactores está atrayendo una gran atención de los científicos debido a las numerosas aplicaciones que presentan estos sistemas. Con esto en mente, el principal objetivo de la Tesis Doctoral es diseñar y preparar materiales basados en óxido de titanio y titanosilicatos para su aplicación en diversas reacciones catalíticas tanto desde un punto de vista medioambiental (eliminación de un contaminante como el propeno en fase gas y descomposición de amino borano para producción de Hidrógeno) como para la síntesis de compuestos de interés industrial (epoxidación de propileno). La presente Tesis Doctoral consiste en el diseño y preparación de materiales basados en óxido de titanio (TiO2) y titanosilicatos para su aplicación en diversas reacciones catalíticas tanto para la eliminación de contaminantes (aspecto medioambiental) como para la síntesis de compuestos de interés industrial. En primer lugar se ha puesto el foco en el diseño y modificación de las propiedades de fotocatalizadores basados en óxido de titanio (óxido de titanio puro y materiales compuestos TiO2/material) para su uso como fotocatalizadores en la fotooxidación total de propeno (Compuesto Orgánico Volátil o “COV”), así como en la reacción de descomposición del amino borano para la producción de H2, debido al interés que presentan estas reacciones para paliar los problemas medioambientales que existen en la sociedad actual. También en esta tesis se han sintetizado y estudiado titanosilicatos como soportes de metales de transición, principalmente níquel, para su aplicación en la reacción de epoxidación de propileno debido al gran interés industrial que esta presenta. Además, se ha estudiado y desarrollado la incorporación de un fotocatalizador comercial (óxido de titanio, P25) en el interior de conducciones de tamaño micrométrico y así obtener microrreactores con los que se ha estudiado la reacción de fotooxidación total de propeno. En el presente trabajo de Tesis Doctoral se ha estudiado el diseño y preparación de materiales basados en óxido de titanio y titanosilicatos para su aplicación en varias reacciones catalíticas. Las conclusiones generales de los estudios realizados en esta Tesis Doctoral se presentan en diferentes secciones para una mejor comprensión: - Fotooxidación de propeno con fotocatalizadores basados en TiO2: Se ha desarrollado una metodología para sintetizar TiO2 con porosidad jerárquica a través de la modificación de una síntesis publicada en la bibliografía. Las muestras desarrolladas presentan una actividad catalítica similar e incluso superior a la P25 (TiO2 comercial), que es el material de referencia en la bibliografía. En esta línea de investigación también se ha desarrollado un método de encapsulación sencilla de P25 (TiO2) en materiales de sílice con distinta porosidad (sílice esférica con porosidad jerárquica, sílice mesoporosa y sílice precipitada). Además, se observó que la elección de la red porosa de la sílice es crucial para obtener materiales compuestos con elevada actividad fotocatalítica por mol de P25. También se han estudiado y desarrollado una metodología sencilla para la preparación de materiales compuestos TiO2-MWCNT observándose que la incorporación de MWCNT en el TiO2 favorece la eliminación de propeno. - Epoxidación de propileno con catalizadores Ni-TiSiO2: Se han desarrollado catalizadores basados en Ni soportados sobre un titanosilicato (catalizadores basados en metales no-nobles) para su utilización en la reacción catalítica de epoxidación de propileno en fase gaseosa, obteniéndose resultados de actividad catalítica similares a los catalizadores de referencia basados en oro. - Producción de hidrógeno a partir de amino borano mediante el fotocatalizador Cu/TiO2-MWCNT: En este apartado de la Tesis se observó que el soporte presenta una gran importancia en la actividad catalítica de la fase activa (nanopartículas de Cu), observándose que la presencia de nanotubos de carbono de pared múltiple mejora la descomposición del amino borano bajo la irradiación de luz visible. - Fotooxidación de propeno con TiO2 comercial incorporado en microrreactores: Se ha desarrollado una metodología sencilla para inmovilizar el fotocatalizador de referencia P25 en el interior de microrreactores (microcapilares y reactores de chip para microfluídica), usando una configuración de lecho empaquetado sin tratamiento previo, mediante el uso de una dispersión de la muestra (P25) y un surfactante (Pluronic, F-127) en EtOH. Además, se ha observado que la P25 incorporada en los microrreactores estudiados (microcapilares y reactores de chip para microfluídica) presenta una mayor actividad catalítica por mol de P25 con una baja caída de presión en los sistemas.