Imatges de microscopi electrònic de rastreig dels suports de ceri: nanocubs (A) i nanobarres (C). En les imatges complementàries B i D s'observen també les nanopartícules de rodi i pal·ladi al damunt dels respectius suports nanoestructurats.
Cerdanyola del Vallès, 11 de desembre de 2019 L’hidrogen és contemplat com un producte que podria substituir els combustibles fòssils abans que s’esgotin i que permetria canviar el model energètic actual cap a un de més sostenible i respectuós amb el medi ambient. De les diverses fonts d’hidrogen líquid, l’etanol és un bon candidat: renovable, amb bona disponibilitat, biodegradable, de baixa toxicitat i fàcil de transportar. La reacció per convertir l’etanol en hidrogen s’anomena reformat amb vapor i es pot activar mitjançant catalitzadors.
Un grup de recerca de l’Institut de Tècniques Energètiques (INTE) i del Departament d’Enginyeria Química de la Universitat Politècnica de Catalunya està treballant amb catalitzadors per tal d‘aconseguir reaccions de producció d’hidrogen més eficients.
Els catalitzadors que estudien contenen nanopartícules de metall – de rodi (Rh) i pal·ladi (Pd) – de 4 nanòmetres de mida i que estan fixades en un suport d’òxid de ceri (CeO2). Els científics van voler analitzar els canvis que ocorren en la distribució atòmica de les nanopartícules en funció de la forma dels suports; per fer-ho, han comparat dos tipus de suports nanoestructurats, nanocubs i nanobarres, i els han carregat amb nanopartícules de rodi i pal·ladi (Rh0.5Pd0.5).
Els experiments de AP-XPS (espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X en pressió ambiental) s’han dut a terme a l’estació NAPP de la línia de llum CIRCE. Han monitoritzat què succeeix durant la reacció de reformat d’etanol amb vapor, respecte la composició de la superfície i els estats d’oxidació de les nanopartícules del catalitzador, tant recolzades sobre nanocubs com sobre nanobarres.
En comparar els dos tipus de catalitzadors, han trobat diferències significatives en la distribució dels productes de la reacció. En el cas dels que tenen nanocubs com a suport, la reacció principal que s’observa és la deshidrogenació de l’etanol a acetaldehid i hidrogen (1), amb menor contribució de la reacció de descomposició de l’etanol en metà, monòxid de carboni i hidrogen (2).
1) CH3CH2OH → CH3CHO + H2
2) CH3CH2OH → CH4 + CO + H2
En canvi, quan les nanopartícules estan fixades sobre suports de nanobarres hi ha un marcat augment en la producció d’hidrogen. La quasi absència d’acetaldehid com a producte de la reacció indica que les nanobarres fomenten que es donin més les reaccions 3 i 4, produint un catalitzador molt més eficient per la reacció de reformat d’etanol amb vapor.
3) CO + H2O → CO2 + H2
4) CH4 + 2H2O → CO + H2
L’equip d’investigació conclou que la forma del suport, és a dir els plans cristal·lins exposats del ceri, té una gran influència tant en la reorganització superficial com en els estats d’oxidació de les nanopartícules bimetàl·liques de rodi-pal·ladi. Aquestes, al seu torn, determinen fortament el comportament catalític en la reacció de reformat d’etanol amb vapor.
Aquest treball proporciona nova i valuosa informació sobre la importància dels suports nanoestructurats en la dinàmica de les partícules bimetàl·liques i representa un pas endavant en la comprensió dels sistemes catalítics multimetàl·lics, àmpliament usats en aplicacions industrials i ambientals. L’efecte de la forma del suport de ceri representa un nou element important a tenir en compte en el disseny de catalitzadors.
Gràfic de conversió de l'etanol on es mostra la distribució dels productes de cada reacció, catalitzada amb catalitzadors que contenien suports de nanobarres (esquerra) i nanocubs (dreta). Reacció de reformat d'etanol amb vapor a 823K (550ºC).
Referència: Lluís Soler, Albert Casanovas, James Ryan, Inmaculada Angurell, Carlos Escudero, Virginia Perez-Dieste, Jordi Llorca. Dynamic reorganization of bimetallic nanoparticles under reaction depending on the support nanoshape: The case of RhPd over ceria nanocubes and nanorods under ethanol steam reforming. ACS Catalysis (2019) 9, 4, 3641-3647 DOI: 10.1021/acscatal.9b00463
