Preparación y caracterización de sistemas Pt/ZrO2 y Pt/CeO2 para la oxidación de glicerina

Abstract

En este documento se describe un método de síntesis utilizado para la obtención de materiales sólidos mesoporosos con altas áreas superficiales basados en óxido de circonio (IV), óxido de cerio (IV), y sistemas Pt/ZrO2, Pt/CeO2 y, las técnicas de caracterización empleadas para estimar en estos materiales las propiedades de estructura, textura y superficie, determinando a partir de estas características el uso potencial de los catalizadores en reacciones heterogéneas. Además, se presenta una evaluación de la efectividad de implementar un método hidrotérmico para la preparación de ZrO2 y CeO2, con el objeto de proponer una ruta de síntesis alternativa para este tipo de materiales, que propicie las condiciones adecuadas y que permita obtener sólidos con estructuras cristalinas definidas y de tamaños nanométricos (10 nm). Respecto a las condiciones de síntesis, se propone que la reacción entre nitrato de circonio o nitrato de cerio y ácido acrílico, con una adición posterior de glucosa, luego de modificar las condiciones de reacción, para establecer un medio de reacción básico utilizando amoniaco en disolución, y generan especies acrilato, que promueven la formación de compuestos de coordinación y evitan la presencia de especies insolubles. Este proceso favoreció condiciones propicias para la obtención de un sólido homogéneo, de textura rugosa y con evidencia de porosidad, las cuales, son propiedades determinantes en la notable aplicabilidad de sólidos como soporte catalítico. Los resultados demuestran que la preparación de los sistemas Pt/ZrO2 y Pt/CeO2 por el método de impregnación incipiente con disoluciones coloidales del precursor metálico (H2PtCl6), y la posterior reducción de los sistemas con H2, favorecieron la deposición sobre el soporte de pequeñas partículas de platino. Esta incorporación de la fase metálica sobre los óxidos, permitió la optimización de la propiedades físicas del material final, manteniendo una significativa área superficial y una alta porosidad, por lo cual, la relación área activa por unidad de volumen es alta en estos materiales, lo que facilitaría teóricamente la difusión de reactivos hacia los sitios activos. Estas propiedades hacen de los sistemas Pt/ZrO2 y Pt/CeO2 preparados, materiales con potenciales usos en reacciones de interés en el campo de la catálisis heterogénea. Los resultados más significativos sobre los cuales se discute en esta tesis son: a) los óxidos metálicos de cerio y circonio obtenidos, presentan tamaños de poro comprendido entre 34 y 37 Å, tamaños promedios de cristal entre 9-15 nm y áreas superficiales entre 142 y 203 m2g-1, b) los sistemas Pt/ZrO2 y Pt/CeO2 presentan una alta dispersión del platino y tamaños de partícula muy pequeños.

Abstract. This research focuses on the preparation and determination of structural, surface and textural properties of material systems Pt/ZrO2 y Pt/CeO2 in order to apply them as catalysts in selective oxidation of alcohols and glycols. The acrylic acid-glucose system proved to be an effective mesoporosity and high surface areas promoter in the hydrothermal synthesis of supports based on metal oxides ZrO2 and CeO2. Supports based oZrO2 and CeO2 exhibit surface areas between 142 and 203 m2 g-1 and average pore sizes between 3,4 to 3,7 nm. These materials are composed of irregular aggregates of multiparticulate, heterogeneously distributed, with particulate sizes ranging between 5 and 10 nm for cerium oxide (IV) and between 9 and 15 nm for zirconium (IV). According to the results, we propose that the reaction of zirconium nitrate or cerium nitrate with acrylic acid to acrylate species to coordination compounds that creates the conditions for obtaining a homogeneous solid, rough-textured and with evidence of porosity. On the other hand, the incipient impregnation of supports with aqueous solutions of colloidal platinum, followed by calcination under a reductive atmosphere of H2, proved a practical method for the deposition of the active phase on the surface of the supports in the form of well-dispersed nanoparticles of platinum. This result shows that Pt/ZrO2 y Pt/CeO2 material systems have textural and surface characteristics useful to the field of selective oxidation of alcohols and glycols driven by solid catalysts, which can be inferred that the Pt/ZrO2 y Pt/CeO2 are prepared materials with potential applications in this process.