Resultados prometedores del catalizador de fe-pd para reacciones de hidrodesoxigenación

[Autor: Antonio Berenguer-Instituto IMDEA Energía]

Los catalizadores que contiene hierro se presentan como una alternativa económica para eliminar el oxígeno presente en sustancias de origen vegetal y transformarlas en otras con interés como biocombustibles. Sin embargo, estos catalizadores exhiben una baja actividad catalítica y pueden desactivarse fácilmente debido a la corrosión o a la oxidación promovida por el agua generada durante el proceso de producción de biocombustibles. Los catalizadores constituidos por materiales preciosos como paladio o platino no se oxidan fácilmente, pero muestran una baja eficiencia en la eliminación de oxígeno en materiales de origen vegetal (debido al alto consumo de hidrógeno), además del hecho que estos metales tiene un precio muy elevado. Científicos procedentes del “Northwest National Laboratory (PNNL)” y de la “Washington State University (WSU)” han descubierto que añadiendo una pequeña cantidad de paladio a los catalizadores de hierro, se puede obtener un material capaz de eliminar rápidamente los átomos de oxígeno; liberando fácilmente los productos deseados, y con una alta resistencia a la oxidación.

 

Investigadores han demostrado como la adición de paladio (Pd) impide la desactivación (adición de oxígenos, esferas rojas) de catalizadores formados por hierro en la reacción que elimina oxigeno presente en la materia prima para producir biocombustibles.

Imagen: American Chemical Society.

“El efecto sinérgico existente entre el paladio y el hierro es increíble”, según las declaraciones del Dr. Yong Wang, que ha dirigido las investigaciones presentadas en los dos artículos destacados en la portada de la revista ACS Catalyst. “Cuando ambos metales se combinan, el catalizador es de lejos mucho mejor que cada metal por sí sólo, teniendo en cuenta términos de actividad, estabilidad y selectividad.” Dr. Wang trabaja tanto en el PNNL, donde es director asociado en el Instituto de Catálisis Integrada  y en la WSU, donde es profesor  distinguido.

Para crear biocombustibles, sustitutos de la gasolina, del diésel y de los combustibles para aviones, los científicos necesitan desarrollar catalizadores rápidos y eficientes en el proceso de eliminación de los átomos de oxigeno presentes en la lignina, que se encuentra en abundancia, en las plantas. Altos contenidos de oxígeno dan lugar a la generación de un combustible pobre en energía y este combustible produciría daños importantes en todos los motores en los cuales se utilizan combustibles fósiles. Este estudio muestra como un sistema catalítico formado por dos metales podría mejorar el catalizador y minimizar la cantidad de hidrogeno necesaria para la eliminación oxígeno, lo que se  traduciría también en una reducción de los costes asociados.

“En los biocombustibles, necesitamos eliminar la mayor cantidad de oxígeno para aumentar la densidad energética”. “Por supuesto, en el proceso, queremos minimizar el coste asociado a la eliminación de oxígeno. En el presente caso, minimizamos el consumo de hidrógeno e incrementamos la acidez total, obteniendo altas selectividades con respecto a los productos deseados” según comenta Dr. Wang.

El equipo realizó estudios experimentales y teóricos para determinar cómo los átomos presentes en la superficie del catalizador interaccionan con el m-cresol,  que ha sido utilizado como compuesto modelo presente en los derivados de la biomasa lignocelulósica. El equipo ha utilizado instrumentos avanzados de caracterización de materiales, incluyendo microscopía electrónica de transmisión de alta resolución,  y espectroscopia de fotoelectrones de rayos X. El equipo también ha utilizado métodos  de cálculo ab initio para interpretar los resultados experimentales.

Estos estudios indican que añadiendo cantidades sumamente pequeñas de paladio sobre el catalizador de hierro se promueve el recubrimiento de la superficie de hierro por hidrógeno, haciendo la reacción de hidrodesoxigenación altamente favorable. El paladio también previene que el hierro se oxide por el agua generada y mejora aún más la liberación de las moléculas aromáticas deseadas. El resultado: menos hidrógeno es consumido para eliminar el oxígeno de las moléculas derivadas de la biomasa.

¿Qué será lo próximo? El equipo está diseñando catalizadores para trabajar bajo condiciones más húmedas. “Nuestro trabajo involucra compuestos modelo, queremos estudiar las condiciones más realistas, en las cuales hay aún más agua y se quiere eliminar la mayor cantidad de oxígeno posible”, dijo el Dr. Wang.

Publicaciones asociadas:

Synergistic Catalysis between Pd and Fe in Gas Phase Hydrodeoxygenation of m-Cresol. Y. Hong, H. Zhang, J. Sun, K. M. Ayman, A. J. R. Hensley, M. Gu, M. H. Engelhard, J. S. McEwen, and Y. Wang, ACS Catal., 2014, 4 (10), 3335-3345.

Enhanced Fe2O3 Reducibility via Surface Modification with Pd: Characterizing the Synergy within Pd/Fe Catalysts for Hydrodeoxygenation Reactions. A. J. R. Hensley, Y. Hong, R. Zhang, H. Zhang, J. Sun., Y. Wang, and J. S. McEwen, ACS Catal., 2014, 4 (10), 3381–3392.

Fuente: Pacific Northwest National Laboratory.

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