Estudio de la actividad catalítica de catalizadores de Ni soportados sobre redes cristalinas de un compuesto metal-orgánico de Zr (UIO-66)

Abstract

El objetivo de esta tesis consiste en sintetizar catalizadores soportados del tipo xNi@UIO-66, utilizando redes metal-orgánicas cristalinas altamente porosas de Zr como soporte para la síntesis de nanopartículas de Ni dentro y fuera de sus cavidades, evaluándose la actividad catalítica de estos sistemas en la reacción de metanación de dióxido de carbono (CO2) a bajas temperaturas. El trabajo está dividido en tres etapas: (1) La síntesis del MOF UIO-66 utilizado como soporte, (2) La formación de los compositos xNiO@UIO-66 mediante la impregnación húmeda de los soportes sintetizados con iones de Ni2+, obteniendo las nanopartículas de Ni y (3) El estudio de la actividad catalítica de los sistemas obtenidos en el rango de temperaturas de 200 a 400°C, evaluando la conversión de CO2 y la selectividad a metano (CH4) respecto a la temperatura de reacción. En la síntesis del soporte UiO-66 se establece que el uso de un agente modulante favorece la producción de cristales de mayor tamaño, con menor agregación y mejor definición con relación a los obtenidos sin su uso, obteniéndose óptimas características al utilizar 50 eq. de ácido acético como modulante. También se estudian las repercusiones experimentales en las propiedades de los materiales formados provocadas por la sonicación de los cristales, dando paso a la obtención de los productos UIO-66-S y UIO-66-SS. Con el objetivo de impregnar las redes UiO-66 obtenidas con nanopartículas de Ni y formar los compositos xNi@UIO-66, se emplea el método de impregnación húmeda con cargas de Ni entre 10 y 20 %wt, logrando controlar la distribución y crecimiento de los cristales de Ni en el material, permitiendo que gran parte de la carga metálica se encuentre alojada dentro de las cavidades de los distintos MOFs sintetizados. Posteriormente, una reducción in situ de los compositos, dan paso a los catalizadores: 10Ni@UIO-66-S, 20Ni@UIO-66-S, 10Ni@UIO-66-SS, 15Ni@UIO-66-SS y 20Ni@UIO-66-SS. Finalmente, los estudios catalíticos de los sistemas sintetizados permitieron obtener conversiones de CO2 de 63,7 % y 46% a selectividad máxima a 325 °C para los catalizadores 10Ni@UIO-66-S y 10Ni@UIO-66-SS respectivamente. Para los catalizadores 20Ni@UIO-66-S, 20Ni@UIO-66-SS y 15Ni@UIO-66-SS se obtienen conversiones promedio cercanas al 57,33% ± 2,8 % a 300°C con máxima selectividad a metano. Las diferencias en las conversiones obtenidas dan cuenta que utilizar el soporte UIO-66-S en la síntesis del catalizador permite tener más sitios metálicos de Ni expuestos y accesibles dentro de las cavidades del MOF en comparación con soporte UIO-66-SS, aumentando de esta forma la reactividad del catalizador. Cabe mencionar que las conversiones obtenidas en cada caso corresponden únicamente al comportamiento cinético mostrado por el catalizador, ya que las transferencias de masa y calor dentro del reactor fueron controladas previamente de forma experimental.