Desarrollo de catalizadores de Wolframio altamente activos y selectivos para la síntesis de dimetiléter. Efecto de la estructura y de la interacción con el soporte

Abstract

La búsqueda de nuevos combustibles medioambientalmente más sostenibles y seguros ha fomentado el desarrollo de nuevas fuentes de energía y procesos que hagan frente a los desafíos del mundo actual. En este sentido, el dimetiléter (DME) se presenta como alternativa a los combustibles tradicionales ya que puede ser obtenido a partir de fuentes renovables así como por sus propiedades físico-químicas. Una de las ventajas más significativas del DME como combustible en motores de combustión interna es la reducción de las emisiones de NOx, SOx, CO e hidrocarburos en motores diesel. La síntesis de DME ha sido investigada en los últimos años por múltiples autores. Esta reacción tiene lugar en dos etapas: en primer lugar la síntesis de metanol a partir de gas de síntesis, que puede obtenerse a partir de diferentes fuentes como el carbón, gas natural o la biomasa; y en segundo lugar la deshidratación del metanol formado. Para esta última reacción se han estudiado diferentes sólidos ácidos basados principalmente en γ-Al2O3 o zeolitas. Recientemente, han sido propuestos nuevos materiales como los catalizadores de heteropoliácidos (HPAs), los cuales poseen excelentes propiedades ácidas las cuales son de gran importancia para la síntesis de DME. En el presente trabajo se han estudiado catalizadores heterogéneos basados en 1) óxidos de wolframio soportado y 2) heteropoliácidos con estructura Keggin soportados. Estos últimos son altamente activos y selectivos en la síntesis de DME a partir de metanol. El estudio de los catalizadores de óxido de wolframio soportados ha demostrado que existe una relación entre la velocidad de conversión de metanol y la presencia de centros ácidos Brønsted de wolframio (W-OH). Los catalizadores de heteropoliácidos con estructura Keggin soportados han sido ampliamente caracterizados con el fin de describir su estructura y propiedades ácidas. Para ello se han sometido estos catalizadores a tratamientos térmicos entre 373 y 773 K. El tratamiento térmico a temperaturas menores a 723 K no afecta a la estructura Keggin, lo cual da cuenta de la alta estabilidad térmica de estos catalizadores. El estudio de las propiedades ácidas pone de manifiesto la gran fortaleza ácida de los centros ácidos Brønsted presentes en todos los catalizadores. A diferencia de los HPA sin soportar, los HPA soportados presentan, en general, centros ácidos Lewis, cuya fortaleza depende del soporte empleado (SiO2 < TiO2 < Al2O3). La actividad catalítica de los catalizadores de HPA soportado es considerablemente mayor que la del HPA sin soportar. Mediante experimentos DRIFT in situ con espectrometría de masas acoplada, se observó que al soportar el HPA se favorece la accesibilidad de las moléculas de metanol a los centros activos del HPA. Esto es debido a que el enlace de hidrógeno entre las moléculas de H2O y los protones de la estructura Keggin se debilita, favoreciendo el desplazamiento del agua y el acceso del metanol a los centros activos para su deshidratación y formación de DME. La fortaleza de éste enlace de hidrógeno se ve afectado por el soporte empleado.