Descomposición de metano con catalizadores de Ni, Fe, promovidos con Pd y soportados en carbón

Abstract

RESUMEN: La producción de hidrógeno juega un papel muy importante en la desulfurización de combustibles, en la producción de amoníaco y metanol, en la hidrogenación de grasas y aceites y en otras aplicaciones industriales. Sin embargo, su mayor demanda en el resto del siglo será como combustible en las pilas de combustible. A pesar de que la tendencia mundial se orienta al empleo de fuentes renovables de energía, los aspectos económicos por ésta ruta aún no son convincentes. Por tal motivo, el arranque del sistema económico del hidrógeno tendrá que ser vía combustibles fósiles. En el presente trabajo, se estudió la descomposición catalítica del metano para la obtención de hidrógeno, empleando catalizadores monometálicos de Ni y de Fe así como bimetálicos de Ni-Pd y Fe-Pd todos ellos soportados en un carbón activado comercial. Se utilizaron dos métodos de síntesis (impregnación y fotodepósito) y la caracterización se realizó mediante difracción de rayos-X, fisisorción de N2, reducción a temperatura programada, espectroscopías Ultravioleta, Raman, fotoelectrónica de rayos-X, Mössbauer y microsocopía electrónica de transmisión. La reacción de descomposición del metano se estudió en un reactor de lecho fijo a presión atmosférica y en un rango de temperaturas de 500-620 °C. Tanto el único producto en fase gas (H2) como el metano sin reaccionar se analizaron con un cromatógrafo de gases en línea. En general, los catalizadores de Ni y de Fe presentaron una buena dispersión sobre el carbón con tamaños de partícula del orden de 10 nm para el níquel y con una composición superficial variable, encontrándose Ni, NiO, Fe, FeO, Fe2O3 y Fe3O4. Se observó una marcada reducción de la superficie específica del soporte original de hasta el 50% dependiendo de la carga de metal. La actividad catalítica mostrada por los catalizadores de Fe/C fue superior a la de los catalizadores de Ni/C Los catalizadores sintetizados por el método de impregnación mostraron mejores resultados que los sintetizados por fotodepósito posiblemente a una desactivación rápida por parte de las partículas más activas de estos catalizadores. El catalizador de Ni-Pd sintetizado por el método de impregnación mostró un incremento en la conversión del metano hasta del 12% (620 °C) producto del efecto del paladio como promotor, debido a una mejor dispersión metálica y un menor tamaño de partícula promedio. ABSTRACT: Hydrogen production plays an important role in hydrocarbon desulfurization, methanol and ammonia production, oils and fats acids hydrogenation and other industrial application. However, in the near future its principal application will be as fuel in proton-exchanged membrane fuel cells. Despite the best route to produce pure H2 would be via renewable energy resources, those methods are still too expensive. For this reason, at the beginning of hydrogen production it has to be produced by fossil fuels. This work is focused to hydrogen production by methane catalytic decomposition with Ni-, Fe- carbon supported, as well as Ni-Pd and Fe-Pd supported in commercial activated carbon. The catalysts were synthesized by incipient impregnation and photoassisted methods. The characterization was carried out by X-ray diffraction, temperature programmed reduction (RTP), UV-Vis spectroscopy, Raman spectroscopy (ER), X-ray photoelectronic spectroscopy (XPS), Mössbauer spectroscopy (MS) and transmission electronic microscopy (TEM). The catalysts were tested in a fix bed reactor at atmospheric pressure with temperatures in the range of 500-620 °C. The effluent gas mix was analyzed with a gas chromatograph on line. Ni, Fe catalysts showed good dispersion on carbon support with particle size of 10 nm for nickel catalyst (15 wt%). The surface composition of the catalysts was determinate by XPS was found Ni, NiO and Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4 phases for Ni, Fe catalysts, respectively. Iron catalyst shown better activity than Ni catalysts in methane catalytic decomposition. The nickel catalysts synthesized by impregnation method were more active than catalysts by photodeposition method; this could be possible by encapsulation of active particles in the latter catalysts. Ni-Pd catalyst synthesized by impregnation method shown the best results in methane catalytic decomposition with a conversion value of 12% at 620 °C, because the good dispersion and the small particle size in the catalyst.