Separación de hidrógeno utilizando membranas compuestas a base de platino

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se presenta y discute un estudio experimental sobre los parámetros de síntesis que controlan el depósito in situ de nanopartículas de Pt sobre soportes tubulares porosos utilizando la técnica CBD (Chemical Bath Deposition) para formar una membrana compuesta. Asimismo se evalúa y analiza la capacidad de permeación y separación selectiva de hidrógeno (H2) a través de las membranas modificadas. Los soportes porosos empleados en este trabajo tienen estructura asimétrica y están compuestos de alúmina (-Al2O3) y una delgada capa de titania (TiO2) en la superficie interna. La preparación y depósito de nanopartículas de Pt se realizó in situ a temperatura ambiente, empleando tetracloruro de platino (PtCl4) como agente precursor de Pt en presencia de hidróxido de amonio (NH4OH) e hidracina (N2H4) como agentes regulador de pH y reductor respectivamente, en un intervalo de tiempo de 15 a 160 minutos. Las variables en estudio fueron: relación molar entre el agente precursor y la hidracina, relación entre la hidracina y el agente regulador de pH así como tiempo de depósito. Durante el desarrollo de este trabajo se prepararon varias membranas, donde se varió el número de ciclos y la forma de depósito mediante el tratamiento por CBD (depósito de Pt sobre la superficie externa y/o interna del soporte poroso). Las propiedades morfológicas y estructurales se estudiaron mediante las técnicas de Difracción de rayos-X (DRX) y Microscopía Electrónica de Barrido (MEB). Los resultados de la caracterización revelan que las mejores condiciones de síntesis son: relación molar de N2H4:PtCl4:NH4OH de 1:1.3:0.04 con pH de 10 y/o 11 y un tiempo de reacción entre 60 y 90 minutos, obteniéndose nanopartículas de Pt con morfología regularmente esférica de aproximadamente 6 nm de diámetro formando agregados (cúmulos) menores a 100 nm distribuidos uniformemente sobre el sustrato. Finalmente se llevó a cabo el proceso de evaluación de la capacidad de permeación y separación selectiva de gases, a través de cada una de las membranas utilizando los gases de H2, CH4 y CO2 a presión atmosférica y temperatura ambiente. Con base a los resultados obtenidos, las membranas identificadas como M3IE y MF (ambas con tres ciclos de depósito en la superficie interna y externa del soporte y tratamiento térmico en el caso de la MF) presentaron la mayor selectividad para el H2 en el proceso de permeación, mientras que en la separación de gases, la membrana etiquetada como M2IE (dos ciclos de depósito en ambas superficies del soporte) fue la más selectiva para la separación del H2 proveniente de una mezcla con CH4 y CO2. ABSTRACT: In this work is reported an experimental study on the synthesis of Platinum nanoparticles (Pt, NPs) by CBD technique (Chemical Bath Deposition). The NPs were prepared and deposited in situ on porous tubular supports, to obtain a composite membrane. The ability of single gas permeation and the permselective of H2 from mixed gases through of the composite membranes were proved. To prepare the composite membrane were used tubular porous supports fabricated of alumina (-Al2O3) and a thin layer of TiO2 on the interior surface of the support. The Pt NPs were prepared by CBD method at room temperature using platinum tetrachloride (PtCl4) as Pt precursor, hydrazine (N2H4) as reducing agent and ammonium hydroxide (NH4OH) for pH control. During this study several variables were analyzed: molar ratio (concentration of reagents), pH, synthesis and deposition time and the number of deposition. For Instance, the synthesis time was modified the range of 15 to 160 minutes, in some cases Pt NPs were deposited on both tubular support surfaces, at more than one cycle. The structural and morphological characteristics of the composite membranes were analyzed and, X ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) respectively. The characterization results showed that the best synthesis conditions to prepare Pt NPs by CBD are: a molar ratio of N2H4:PtCl4:NH4OH of 1:1.3:0.04, pH between 10 and 11 and a deposition time between 60 and 90 minutes. According above conditions Pt NPs with almost spherical morphology (6 nm of diameter) were obtained, they form clusters of 100 nm approximately. Also, is observed in some membranes that the Pt NPs were deposited homogeneously on the support. Finally, the capacity and ability of gas permeation and gas separation of the composite membrane was evaluated. First, the membranes were evaluated with a single gas permeation. Then, the H2 permselective was determined by gas separation test, using a mixture of gases (H2, CH4 and CO2) at atmospheric pressure and room temperature. According to the obtained results, membranes MF and M3IE have the highest selectivity to H2 in the permeation process, whereas the membrane M2IE showed the best selective to H2 in comparing to CH4 and CO2.