Entendiendo catalizadores industriales: poniendo la espectroscopia operando en forma
Autora: Raquel Portela, ICP-CSIC
Los catalizadores industriales son frecuentemente sólidos conformados, inhomogéneos, dinámicos y multifuncionales. Su diseño racional requiere una caracterización exhaustiva de los centros activos que tenga en cuenta el efecto del su entorno, de modo que las tendencias actuales en el análisis de los procesos heterogéneos son incrementar la resolución temporal y espacial (a varios niveles y en varias direcciones) y los puntos de vista (acoplamiento de varias técnicas), y acercarnos lo más posible a condiciones de operación genuinas, no alteradas por la sonda.
La metodología operando se ha convertido en un valioso enfoque para entender los catalizadores y la catálisis heterogénea, la piedra angular de la futura sociedad sostenible. Al combinar la caracterización espectroscópica del sólido durante la reacción (in situ) con la evaluación simultánea del rendimiento catalítico real mediante análisis de la actividad catalítica genuina permite mejorar la optimización racional de los catalizadores y el control de las variables de los procesos catalíticos, siendo de utilidad tanto en el laboratorio como a escala industrial en todo tipo de aplicaciones. Las técnicas espectroscópicas pueden determinar la naturaleza, cantidad, estructura y entorno de átomos y moléculas analizando diferentes interacciones de la materia con la radiación electromagnética, y por tanto son poderosas técnicas no destructivas y que no requieren contacto. La idea de la caracterización simultánea del fluido y del sólido en operación fue introducida en el mundo de la investigación catalítica por algunos pioneros hace varias décadas; el término operando fue acuñado en 2002 por el Dr. Miguel Á. Bañares, profesor de investigación del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP) del CSIC, hecho que favoreció que la investigación para el desarrollo y la aplicación de células de reacción cada vez más informativas y más representativas de los precesos catalíticos reales haya crecido exponencialmente desde entonces, al despertar el interés generalizado de la comunidad catalítica.
Hasta ahora el enfoque operando ha estado orientado esencialmente a lechos empaquetados de catalizadores en polvo, a pesar de que los catalizadores con forma y estructura regular se aplican cada vez más en muchos campos de la catálisis, especialmete en medio ambiente y energía.1 Los monolitos poseen propiedades térmicas, mecánicas y fluidodinámicas distintivas que dependen de su geometría y de las propiedades resultantes de la interacción entre la fase activa, el soporte, el aglomerante y otros aditivos permanentes o temporales que hayan sido empleados en su proceso de fabricación. Como consecuencia es necesario hacer un esfuerzo de caracterización de estos materiales en la forma final, ya que la caracterización en polvo puede dar resultados equívocos. La metodología operando puede proporcionar a los desarrolladores de catalizadores monolíticos (o conformados en general) una herramienta para entender su comportamiento en una planta industrial a través de pruebas de laboratorio cuidadosamente diseñadas con relaciones espacio-temporales representativas. Aplicada a escala industrial puede detectar problemas de funcionamiento o predecir fenómenos de desactivación antes de que la calidad del producto se vea afectada, optimizando así el control de calidad y reduciendo el desperdicio de material, y podría convertirse una nueva tecnología analítica de proceso (PAT por sus siglas en inglés).
El grupo de Espectroscopia y Catálisis industrial (SpeICat) del ICP-CSIC, con amplia experiencia en la metodología operando y en el desarrollo de catalizadores monolíticos, en colaboración con el Laboratoire Catalyse et Spectrochimie (LCS) de la ENSI de Caen, ha estado desarrollando en los últimos años nuevas celdas de reacción para expandir el enfoque operando a la caracterización de monolitos por espectroscopia vibracional durante su funcionamiento como catalizadores. En 2012 desarrolló una celda que permite caracterizar monolitos por FT-IR en transmisión,2 como se muestra en la figura 1, y en un artículo recién publicado en la revista Catalysis Science & Technology3 presenta un reactor monolítico monitorizado por microscopía Raman, en lo que son los primeros intentos de estudios operando de monolitos mediante espectroscopia vibracional. La espectroscopia vibracional proporciona informacion molecular: la espectroscopia infrarroja (IR) es esencialmente sensible a vibraciones que impliquen un cambio en el momento dipolar (modos asimétricos), y la espectroscopia Raman, a vibraciones que impliquen un cambio en la polarización (modos simétricos). En consecuencia, para catalizadores tipo óxido soportado, la primera se emplea generalmente para estudiar especies adsorbidas e hidroxilos superficiales mientras que la segunda se emplea para principalmente para estudiar el propio catalizador.
Figura 1. Reactores para estudios operando con espectroscopia vibracional.
Bibliografía:
1. Avila, P.; Montes, M.; Miro, E. E., Monolithic reactors for environmental applications: A review on preparation technologies. Chem. Eng. J. 2005, 109 (1), 11-36. doi: 10.1016/j.cej.2005.02.025
2. Rasmussen, S. B.; Banares, M. A.; Bazin, P.; Due-Hansen, J.; Avila, P.; Daturi, M., Monitoring catalysts at work in their final form: spectroscopic investigations on a monolithic catalyst. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14 (7), 2171-7. doi: 10.1039/c1cp22629k
3. Rasmussen, S. B.; López-Medina, R.; Portela, R.; Mikolajska, E.; Daturi, M.; Avila, P.; Banares, M. A., Shaping up operando spectroscopy: Raman characterization of a working honeycomb monolith. Catal. Sci. Technol. 2015. doi: 10.1039/C5CY01375E