Investigación
Mi área de investigación es la catálisis heterogénea. Actualmente trabajo en el Laboratorio de Carbono y Catálisis del DIQ junto a colegas y alumnos en diferentes área de investigación. A continuación explico cada tema y luego las técnicas experimentales que más usamos.
Hidrogenación de CO2 a metanol
El CO2, gas de efecto invernadero, puede ser utilizado para producir materiales de valor agregado. Si se usa hidrógeno obtenido de fuentes renovables, la reacción CO2 + 3 H2 = CH3OH + H2O permite obtener un producto como el metanol que es fácil de almacenar y transportar (comparado con H2) y además puede ser usado como materia prima en la industria química.
Nos enfocamos en estudiar cómo funcionan los catalizadores para esta reacción: Qué relación existe entre la estructura (tamaño de nanopartículas metálicas, existencia de promotores, etc.) y la velocidad de formación de metanol y su selectividad.
Para diseñar catalizadores que sean más activos y selectivos se necesita conocer cómo funcionan. En nuestro laboratorio usamos diferentes técnicas que nos permiten estudiar la relación entre la estructura del catalizador y su desempeño en el reactor.
A continuación muestro dos trabajos publicados por nuestro grupo recientemente:
Catalizadores bimetálicos Pd-Ga (Catal Sci Technol 2020)
Estudiamos la interacción de dos elementos: paladio y galio en la catálisis de formación de CO2.
Encontramos que una proporción precisa entre Pd y Ga aumenta significativamente la velocidad de formación de metanol, asociada a la formación de un compuesto intermetálico Pd-Ga
Si la cantidad de galio es baja no se forma el compuesto y el catalizador sólo produce CO. Si la cantidad de galio es muy alta, los sitios activos son bloqueados por óxidos de galio y la actividad baja.
Influencia del tamaño de nanopartículas de Cu en la síntesis de metanol (J Catal 2019)
Estudiamos cómo influencia el tamaño de nanopartículas de Cu a la velocidad intrínseca de producción de metanol y el subproducto no deseado CO. Encontramos que partículas más grandes son más activas para las dos reacciones lo que por un lado significa que la selectividad a metanol no puede ser mejorada cambiando el tamaño de partícula. Por otro lado, se muestra que nanopartículas muy pequeñas no son siempre mejores.
Actualmente estamos trabajando en los siguientes temas relacionados con esta reacción:
Estudio de catalizadores de Cu con promotores Zn o Ga: Estudio de intermediarios de reacción y cinética con ayuda de experimentos con reactivos con etiquetado isotópico: 13CO2 vs. 12CO2
Catalizadores con adición de tierras raras (La y Ce)
Catalizadores In2O3-Pd
Intermetálicos NiGa
Oxidación de metanol a productos de mayor valor
El metanol producido a partir de energías renovables será un commodity aún más común en el futuro. Estamos investigando maneras más baratas de valorizarlo. Nos interesa su oxidación parcial a formiato de metilo.
Esta reacción normalmente se lleva a cabo mediante catálisis homogénea usando CO como reactivo además de metanol. Un proceso continuo que utilice catálisis heterogénea, en la que el catalizador se separa fácilmente de los reactivos y productos, sería un gran avance.
La reacción de oxidación parcial: 2 CH3OH + O2 = 2 H2O + HCOOCH3 compite con la de oxidación total: 2 CH3OH + 3 O2 = 2 CO2 + 4 H2O.
Nuestro objetivo es entender el funcionamiento de los catalizadores para esta reacción, qué sitios (ácidos y/o redox) se necesitan para maximizar el rendimiento a formiato de metilo.
Valorización de residuos de biomasa mediante catálisis
El furfural es una molécula plataforma para la utilización de desechos de biomasa. Nuestra investigación se centra en estudiar catalizadores para producir anhídrido maleico a partir de furfural. En la actualidad el proceso usa como materia prima el n-butano, que proviene de fuentes fósiles. Nuestra motivación es encontrar catalizadores activos y selectivos para reemplazar al n-butano por furfural.
Otros proyectos en colaboración con investigadores de CarboCat
Metanación de CO2 sobre aleaciones Ni-Co
Almacenamiento de H2 en carbones activados
Descomposición de ácido fórmico
Equipamiento básico en nuestra área de investigación
(más detalles en la web de Carbocat)
1. Reactor de lecho fijo: Este es el corazón de todo estudio sobre catalizadores heterogéneos. En un reactor de acero inoxidable, se estudian las reacciones a temperatura, presión y concentración de reactivos controladas. Los productos de la reacción se miden con un cromatógrafo de gases. Aquí obtenemos la velocidad de formación y consumo de productos y reactivos.
Los controladores de flujo másico (azules) dosifican el flujo hacia el reactor (a la izquierda, dentro del horno). Los gases que salen se cuantifican en un cromatógrafo (el equipo grande a la derecha)
2. Espectroscopía infrarroja in situ: Este equipo nos permite mirar la superficie de los catalizadores durante la reacción. Los enlaces de las especies adsorbidas en la superficie tienen frecuencias de vibración que pueden ser medidas mediante espectroscopía infrarroja. Esto nos permite saber qué especies se adsorben, en qué sitios y cómo reaccionan para formar los productos.
Celda DRIFTS para estudiar reacciones catalíticas
Espectros DRIFT obtenidos durante la oxidación de metanol sobre distintos catalizadores. Cada peak indica la vibración de enlaces característicos. Esta información se puede usar para determinar qué especies están sobre el catalizador.
3. Preparación y caracterización de materiales catalíticos: Preparamos catalizadores por diferentes métodos con el fin de controlar las propiedades físicas de éstos (tamaño de nanopartículas metálicas y fases presentes). Caracterizamos por microscopía electrónica, difracción de rayos X, quimisorción y otras técnicas, para conocer en detalle cómo está formado el catalizador.
Preparación de un catalizador de nanoparticulas de Cu sobre Sílice (Cu/SiO2)
Con un microscopio electrónico (TEM) podemos ver las nanopartículas formadas y medirlas.