Hidrogenación selectiva de CO2 mediante nanopartículas de Cu soportadas en óxidos mixtos Al-Zn: efecto del método de preparación

Abstract

RESUMEN: El aumento en la demanda de combustibles y la disminución de las reservas de petróleo son un tema de interés mundial. Aunado a esto, el incremento de la concentración de dióxido de carbono (CO2) atmosférico por la combustión de diversos combustibles y sus consecuencias en el clima son cada vez más palpables. Una posible solución a esta problemática es utilizar el CO2 proveniente de fuentes de emisión estacionarias en la producción de metanol mediante su hidrogenación catalítica. El catalizador de CuO/ZnO-Al2O3 ha sido ampliamente estudiado y utilizado para la hidrogenación de monóxido de carbono (CO) a metanol a nivel insdustrial. En el presente trabajo, se utilizaron métodos novedosos de preparación de este catalizador, con el objetivo de explorar su comportamiento en la hidrogenación selectiva de CO2 a metanol. El primer método consistió en mezclar manualmente los tres precursores de Cu, Zn y Al a partir de compuestos metal-orgánicos comerciales: MOF-199, ZIF-8 y MIL-53, respectivamente. En el segundo, el soporte de Zn-Al se preparó por coprecipitación utilizando un surfactante como director de estructura y la fase activa (Cu) por impregnación. El tercero fue igual para el soporte y tratamiento solvotérmico del precursor de Cu. La hidrogenación de CO2 se estudió en un micro-reactor de flujo variando la temperatura de reacción, la relación de H2/CO2, la presión y la relación masa de catalizador/flujo (w/F), los productos fueron metanol, metano y CO. Adicionalmente, se utilizó un catalizador de referencia para fines comparativos. El catalizador sintetizado por el segundo método presentó una mejor reducibilidad del cobre y dispersión de las nanopartículas (con un tamaño del orden de 8-10 nm), y logró una conversión de CO2 y selectividad a metanol superiores a los materiales reportados hasta la fecha a 300 ºC, presión atmosférica y condiciones similares de w/F. Los resultados son comparables incluso con experimentos realizados a altas presiones utilizando metales nobles como Au o Pd. ABSTRACT: The growing demand for fuels and the diminishing oil reserves are topics of global interest. In addition to this, the increase in the concentration of atmospheric carbon dioxide (CO2) due to the combustion of various fuels and their consequences in the climate, are more and more palpable. A possible solution to this problem is to use CO2 from stationary emission sources in the production of methanol through its catalytic hydrogenation. The CuO/ZnO-Al2O3 catalyst has been extensively studied and used for the hydrogenation of carbon monoxide (CO) to methanol at industrial level. In the present work, novel methods of preparation of this catalyst are used, with the aim of exploring its behavior in the selective hydrogenation of CO2 to methanol. The first method consisted of manually mixing the three precursors of Cu, Zn and Cu from commercial Metal Organic Framework: MOF-199, ZIF-8 and MIL-53, respectively. In the second, the Zn-Al support was prepared by coprecipitation using a surfactant as structure director and the active phase (Cu) by impregnation. The third was the same route for the support and solvothermal treatment of the Cu precursor. Hydrogenation of CO2 was studied in a micro-flow reactor by varying the reaction temperature, the ratio of H2/CO2, pressure and the ratio of catalyst mass/flow (w/F), the products were methanol, methane and CO. Additionally, a reference catalyst for comparative purposes was used. The catalyst synthesized by the second method presented better copper reducibility and dispersion of nanoparticles (with a size between 8-10 nm), and achieved a CO2 conversion (48%) and selectivity to methanol (30%) higher than the materials previously reported at 300 °C, atmospheric pressure and similar conditions of w/F. The results are comparable even with experiments performed at high pressures using noble metals such as Au or Pd.