Imágenes de microscopio electrónico de rastreo de los soportes de cerio: nanocubos (A) y nanobarras (C). En las imágenes complementarias B y D se observan también las nanopartículas de rodio y paladio encima de los respectivos soportes nanoestructurados.
Cerdanyola del Vallès, 11 de diciembre de 2019 El hidrogeno es contemplado como un producto que podría sustituir los combustibles fósiles antes que se agoten y que permitiría cambiar el modelo energético actual hacia uno más sostenible y respetuoso con el medio ambiente. De las diversas fuentes de hidrogeno líquido, el etanol es un buen candidato: renovable, con buena disponibilidad, biodegradable, de baja toxicidad y fácil de transportar. La reacción para convertir el etanol en hidrogeno se denomina reformado con vapor y se puede activar mediante catalizadores
Un grupo de investigación del Instituto de Técnicas Energéticas (INTE) y del Departamento de Ingeniería Química de la Universitat Politècnica de Catalunya está trabajando con catalizadores con tal de conseguir reacciones de producción de hidrogeno más eficientes.
Los catalizadores que estudian contienen nanopartículas de metal – de rodio (Rh) y paladio (Pd) – de 4 nanómetros de tamaño y que están fijadas en un soporte de óxido de cerio (CeO2). Los científicos buscaban analizar los cambios que ocurren en la distribución atómica de las nanopartículas en función de la forma de los soportes; para hacerlo, han comparado dos tipos de soportes nanoestructurados, nanocubos y nanobarras, y los han cargado con nanopartículas de rodio y paladio (Rh0.5Pd0.5).
Los experimentos de AP-XPS (espectroscopia fotoelectrónica de rayos X en presión ambiental) se han llevado a cabo en la estación NAPP de la línea de luz CIRCE. Han monitorizado qué sucede durante la reacción de reformado de etanol con vapor, respecto a la composición de la superficie y los estados de oxidación de las nanopartículas del catalizador, tanto colocadas sobre nanocubos como sobre nanobarras.
Al comparar los dos tipos de catalizadores, han encontrado diferencias significativas en la distribución de los productos de la reacción. En el caso de los que tienen nanocubos como soporte, la reacción principal que se observa es la deshidrogenación del etanol en acetaldehído e hidrogeno (1), con menor contribución de la reacción de descomposición del etanol en metano, monóxido de carbono e hidrogeno (2).
1) CH3CH2OH → CH3CHO + H2
2) CH3CH2OH → CH4 + CO + H2
En cambio, cuando las nanopartículas están fijadas sobre soportes de nanobarras hay un marcado aumento en la producción de hidrogeno. La casi ausencia de acetaldehído como producto de la reacción indica que las nanobarras fomentan que se produzcan las reacciones 3 y 4, creando así un catalizador mucho más eficiente para la reacción de reformado de etanol con vapor.
3) CO + H2O → CO2 + H2
4) CH4 + 2H2O → CO + H2
El equipo de investigación concluye que la forma del soporte, en concreto de los planos cristalinos expuestos del cerio, tiene una gran influencia tanto en la reorganización superficial como en los estados de oxidación de las nanopartículas bimetálicas de rodio-paladio. Estas, a su vez, determinan fuertemente el comportamiento catalítico en la reacción de reformado de etanol con vapor.
Este trabajo proporciona nueva y valiosa información sobre la importancia de los soportes nanoestructurados en la dinámica de las partículas bimetálicas y representa un paso adelante hacia la comprensión de los sistemas catalíticos multimetálicos, ampliamente usados en aplicaciones industriales y ambientales. El efecto de la forma del soporte de cerio representa un nuevo elemento importante a tener en cuenta en el diseño de catalizadores.
Gráfico de conversión del etanol donde se muestra la distribución de los productos de cada reacción, catalizada con catalizadores que contenían soportes de nanobarras (izquierda) y nanocubos (derecha). Reacción de reformado de etanol con vapor a 823K.
Referencia: 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
