Dry reforming of methane over Co catalysts obtained of perovskite type oxides
Gustavo Valderrama1, Caribay Urbina de Navarro2, Mireya R. Goldwasser3
1 Universidad de Oriente, Núcleo de Bolívar, Unidad de Estudios Básicos, Departamento de Ciencias, Laboratorio de Catálisis, Petróleo y Petroquímica, Ciudad Bolívar, Venezuela.
2 Universidad Central de Venezuela, Centro de Microscopia Electrónica, Caracas, Venezuela.
3 Universidad Central de Venezuela, Centro de Catálisis, Petróleo y Petroquímica, Caracas, Venezuela. E-mail: vfgustavo@yahoo.com
RESUMEN
Se estudiaron una serie de precursores tipo perovskita (La1-xSrxCoO3 con x = 0; 0,2; 0,4), preparados por el método de auto-combustión y caracterizados por las técnicas de difracción de rayos X (DRX), área superficial específica (BET), temperatura programada de reducción (RTP) y analizados por microscopia electrónica de transmisión (MET). Después del proceso de reducción, sus actividades catalíticas en la reformación seca de metano fueron probadas en un reactor de lecho fijo a 1073 ºK. Los patrones de difracción de rayos X revelan la formación de la estructura tipo perovskita en todas las muestras preparadas. Se aprecia que la vía de activación ocurre a través de especies intermediarias produciendo nano-partículas de Co0 altamente dispersas en la matriz del sólido La2O2CO3-SrO. Estas especies son responsables de la alta actividad y de inhibir la deposición de coque aun con las severas condiciones de reacción utilizadas.
Palabras clave: Gas de síntesis, catálisis heterogénea, auto-combustión.
ABSTRACT
]]> A series of perovskite-type precursors (La1-xSrxCoO3 with x = 0; 0,2; 0,4) ) were studied which were prepared by the auto-combustion method and characterized by techniques such as X-ray powder diffraction (XRD), specific surface area (BET), temperature-programmed reduction (TPR) and transmission electron microscopy (TEM). After reduction, their catalytic activity toward CO2 reforming of CH4 was tested in a fixed bed reactor at 1073 ºK. X-ray diffraction patterns revealed the formation of the perovskite structure in all samples prepared. It was found that the activation route occurs through intermediary species producing Co0 nanoparticles highly dispersed in the La2O2CO3-SrO solid matrix. These species are responsible of the high activity and inhibit the coke deposition despite the severe reaction conditions used.Key words: Syngas, heterogeneous catalysis, auto-combustion.
Recibido: octubre 2012. Aprobado: enero 2013. Versión final: febrero 2013
INTRODUCCIÓN
Actualmente existe un consenso científico en que el calentamiento global es uno de los principales problemas ambientales a solucionar en el futuro (Randers 2012). Los gases causantes de este calentamiento son originados mayoritariamente por el consumo acelerado de combustibles fósiles derivados principalmente del petróleo. Dicha situación exige un cambio radical del vector energético basado en el petróleo a una economía basada en el hidrógeno, considerado como una fuente de energía eficiente, limpia y segura (BP Statistical Review of World Energy 2011). Este escenario convierte al gas natural en un excelente material para la producción de hidrógeno, ya que presenta alta relación de H/C, emite menos CO2 por unidad de energía durante la combustión y por las grandes reservas existentes de gas natural a nivel mundial (Weijermars 2012).
En los últimos años, se ha incrementado el interés en la transformación del gas natural a partir de la reformación con CO2 conocida como reformación seca (ec. 1), ya que produce gas de síntesis con una relación H2/CO ≤ 1 por la eventualidad de la reacción inversa de desplazamiento de gas de agua (inversa de ec. 2), favorable para la síntesis de compuestos oxigenados (Shelley 2006) e hidrocarburos insaturados (Ratnasamy y Wagner 2009). Además, se pueden usar las reservas de gas natural que contienen grandes cantidades de CO2. Finalmente, es la vía principal para transformar estos gases contaminantes disminuyendo sus emisiones al ambiente. Sin embargo, ésta reacción presenta un fuerte carácter endotérmico y una alta energía libre de Gibbs a bajas temperaturas (DGº298 = 174,6 kJ∙mol-1), requiriendo de altas temperaturas para revertir la espontaneidad (DG1073 = -44,76 kJ∙mol-1), condición térmica que promueve simultáneamente la formación de carbón (ec. 3) (Yaw y Saidina 2005).
Los catalizadores clásicos utilizados en la reformación de CH4 son a base de metales nobles Pd, Pt, Rh, entre otros (Gerber 2007), pero los altos costos y su limitada disponibilidad promueven el desarrollo de sistemas catalíticos con base en Fe, Co y en particular de Ni que sean más resistentes a la formación de carbón (Guo et al. 2003). Una alternativa atractiva para catalizar la reacción de reformación seca de metano es el uso de óxidos tipo perovskita que tienen formula general ABO3 (Fierro 2006); donde A es un catión metálico tierra rara o alcalinotérreo y B es un catión metálico de transición, su composición puede variar por la sustitución parcial de ambos cationes por otros de valencia inferior produciendo una serie de defectos estequiométricos, tales como: conductividad mixta de ambos iones, migración de electrones, composición no estequiométrica, entre otros, estas propiedades hacen de estos materiales muy atractivos en áreas de investigación como: catálisis electroquímica (Bi et al. 2005), celdas de combustibles (Liu et al. 2007), membranas de separación de oxígeno (Uhlenbruck 2004) o sensores químicos para la detección de gases (Brosha et al. 2000).
]]> Adicionalmente, los óxidos tipo perovskita presentan interesantes propiedades catalíticas para muchas reacciones de oxidación y reducción, con alto potencial para las reacciones de reformación de metano, como lo reportan (Royer et al. 2005, Goldwasser et al. 2005a). El óxido tipo perovskita LaCoO3 es particularmente atractivo para la reformación seca de metano ya que bajo atmosfera reductora produce nano-partículas metálicas de Co altamente dispersas (Huang et al. 2005), las cuales suprimen la formación de coque (Thao et al. 2009). En contribuciones previas (Valderrama et al. 2005, 2010) reportamos las propiedades fisicoquímicas de óxidos tipo perovskita a base de Lantano y su uso como precursores catalíticos en la reformación seca, mostrando resistencia a la deposición de carbón. En este artículo se estudia el uso de óxidos tipo perovskita del tipo La1-xSrxCoO3 como precursores catalíticos en la reformación seca de metano.MATERIALES Y MÉTODOS
Síntesis de Óxidos Tipo Perovskita
Los óxidos tipo perovskita La1-xSrxCoO3 fueron sintetizados por el método auto-combustión (Chick et al. 1990); en donde se utilizó glicina [H2NCH2CO2H] y nitratos metálicos [La(NO3)3·6H2O, Co(NO3)2·6H2O, Sr(NO3)2] en la estequiometria deseada y con una relación molar de NO3 -/NH2 = 1. La solución resultante se formó por la disolución de las sales en su misma agua ocluida a ~ 323 K, luego se evaporó el solvente a 373 K dando lugar a una resina. La combustión espontánea (auto-combustión) de la resina ocurrió a ~ 523 K, ya que la glicina es una substancia pirofórica, formando un polvo precursor que se calcinó entre 973 K – 1173 K durante 2 h bajo atmósfera de aire para eliminar los residuos de carbón.
Caracterización
Difracción de rayos X (DRX) Los sólidos preparados fueron caracterizados por DRX usando un Difractómetro Siemens D500 con radiación KαCu = 1,5418Å a 40 kV y 30 mA. Con la finalidad de obtener las fases que conforman los sólidos sintetizados, se realizó un barrido angular entre θ - 2θ y medición en 2θ entre 10º y 90º con intervalo de adquisición de 0,05º y tiempo de adquisición de 27 s. Las muestras fueron preparadas a través del método de la cámara de polvo, que consiste en triturar finamente el sólido (50-100 mg) para garantizar un tamaño homogéneo y abundante del grano, luego se colocó en el porta muestra para ser irradiado por rayos X. La identificación de las fases se determinó mediante la base de datos PDF2 Data Base 97 y el programa de software EVA MFC Aplication versión 3.00.
Área superficial específica (BET)
El área superficial específica (BET) se determinó usando un equipo Micromeritics Flow Sorb II 2300 que calcula la cantidad de N2 necesario para formar una monocapa de moléculas de gas sobre la muestra a 77 K. Previamente los sólidos (0,1–0,2 g) fueron sometidos a una desgasificación a 623 K durante 2 h para eliminar la humedad.
Reducción a temperatura programada (RTP)
Los análisis de RTP se llevaron a cabo en un reactor de cuarzo conteniendo 50 mg de muestra, bajo régimen de pulsos; el gas reductor H2 pasan por un regulador de pulsos e inyecta un pulso cada 2 min (equivalente a 12 μmol de H2) que es arrastrado hasta el reactor por el gas inerte argón bajo un flujo de 20 mL∙min-1, simultáneamente se incrementó la temperatura desde ambiente hasta 1173 K a razón de 4 K∙min-1. Antes del proceso de reducción la muestra fue sometida a una desgasificación a 873 K por 2 h bajo atmósfera de Ar, para eliminar la humedad.
]]> Microscopia electrónica de transmisión (MET)Los análisis de MET se llevaron a cabo con la finalidad de investigar la dispersión metálica y la deposición de coque en los sólidos que fueron sometidos a reducción y test catalítico respectivamente, usando un microscopio electrónico de transmisión Hitachi H-500 acoplado con un analizador de energía dispersiva de rayos X (EDX). La preparación de las muestra para tal fin, consistió en colocar el sólido en una solución de etanol-agua seguido de una dispersión por ultrasonido, luego se colocó una gota de ésta dispersión en una rejilla metálica con colodión y se dejó secar, para luego ser colocada en la cámara del microscopio para su observación y análisis.
Pruebas catalíticas
Reformación seca de metano
La reformación seca de metano a gas de síntesis se llevó a cabo en un reactor de cuarzo tubular de lecho fijo a 1073 K y 1atm, bajo régimen de flujo continuo de gases reactivos con una relación de CH4:CO2 = 1:1 y diluidos en argón (80%) para hacer la mezcla menos explosiva y con una velocidad espacial de 24 L . 
. h-1. Antes del test catalítico, se colocaron en el reactor los sólidos (50 mg) diluido en 0,1500 g de arena de mar (para mantener constante la temperatura del lecho) y se sometieron a reducción a 1073 K durante 5 h con una velocidad de 4 K∙min-1 y un flujo de H2 de 20 mL∙min-1. Los gases de reacción fueron analizados por medio de un cromatógrafo de gases provisto de un detector de conductividad térmica usando una columna carbosieve. Las conversiones y selectividades fueron calculadas mediante:
Donde: X, S, hinicial y hfinal representan las conversiones, selectividades y moles antes y después de la reacción en estudio, el subíndice i representa el gas a considerar CH4, CO2 y μ son los productos CO e H2 (si μ = CO entonces β = CO2 pero si μ = H2 entonces β = CH4).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En las tablas 1 y 2 se resumen las áreas superficiales de los sólidos sintetizados así como las diferentes fases cristalinas y tamaños de partículas obtenidos después que las muestras fueron sometidas a los procesos de calcinación, reducción y test catalítico. Se observa que el método de síntesis auto-combustión produce sólidos con estructuras tipo perovskita de alta pureza, sugerido por la ausencia de otras fases en los difractogramas de los sólidos calcinados (Fig. 1), con valores de áreas superficiales entre 5-18 m2∙g-1 (Tabla 1) en concordancia con los valores reportados (Goldwasser 2005b, Sierra 2006, Valderrama et al. 2010) y tamaños de partículas entre 17-21 nm (Tabla 2).
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Los perfiles de reducción de los sólidos La1-xSrxCoO3 (Fig. 2) muestran tres máximos de consumo de hidrógeno (Tabla 3), infiriendo que la reducción ocurre a través de fases intermediarias, como ha sido demostrado en los análisis de DRX in situ sobre el sólido LaCoO3 (Martínez et al. 2001). Cuyos resultados indican que a 723 K se forma la fase La4Co3O10, (primer pico de reducción), a 873 K se forma el óxido tipo espinela La2CoO4 (segundo pico de reducción) y a 973 K ocurre la reducción total del sólido formando las fases La2O3 y Co0 (tercer máximo de reducción, Fig. 2).
La similitud que presentan los perfiles de reducción (Fig. 2) sugiere que el Sr no ejerce un efecto notable en dicho proceso, ya que la reducción depende principalmente de la naturaleza del metal de transición (Co). Sin embargo, la presencia de Sr aumenta levemente el porcentaje de reducción (Tabla 3), si consideramos que la sustitución parcial de La3+ por Sr2+ promueve la formación de defectos estequiométricos como Co4+ y vacancias de oxígenos La1-xSrxCoO3-λ para compensar las deficiencias de cargas (Voorhoeve et al. 1977) y asumiendo que el número de oxidación promedio del Co disminuye desde 3+ (x = 0) hasta 2,6 + (x = 0,4) indicando que cantidades dopantes de Sr promueven un efecto dopante de electrones, ambos defectos favorecen la reducción del sólido.
Las micrografías de MET combinados con los análisis de EDX de los sólidos La1-xSrxCoO3 previamente reducidos (Fig. 3), permiten visualizar claramente la localización de la fase metálica de cobalto (Co0) identificadas en un círculo con un diámetro promedio de partículas entre 10-15 nanómetros similares a los obtenidos mediante la ecuación de Scherrer 22-23 nm (Klug y Alexander 1974) (Tabla 2). Dichas partículas se encuentran altamente dispersas en la matriz del sólido conformada por las fases La2O3 y SrO que son los productos del proceso de reducción (Tabla 1) (Valderrama et al. 2010). Los resultados de MET-EDX (Fig. 3), corroboran una de las ventajas del uso de sólidos tipo perovskita como precursores catalíticos, ya que su reducción produce las fases metálicas altamente dispersas.
Además, los sólidos dopados con Sr exhiben conversiones de CO2 ligeramente superiores a las de CH4 (Fig. 4B), sugiriendo que el Sr favorece ligeramente la reacción inversa de desplazamiento de gas de agua (inversa ec. 2).
Por último, se observa que las relaciones molares hO / hH2 incrementan ligeramente con el grado de sustitución x (Fig. 5), infiriendo que el H2 producido durante la reformación seca de metano (ec. 1) reacciona con el CO2 presente en la mezcla reactiva (inversa ec. 2), la cual se traduce en un incremento ligero de las conversiones de CO2 (Fig. 4B) y de las selectividades de CO por consiguiente incrementa la relación molar hO / hH2. Dado que, los valores de la relación molar hO / hH2 están muy cercanos a 1 (Fig. 5) suponemos que la reacción que ocurre preferiblemente sobre estos sólidos es la reformación seca de metano (ec. 1).
Luego que culmina el test catalítico, los sólidos fueron examinados por DRX, revelando la presencia de las fases Co metálico, La2O2CO3 y SrO (Tabla 1), estas fases explican las altas actividades obtenidas durante el curso de la reacción. Cabe destacar que la fase SrCO3 no se detectó por DRX a pesar que se obtuvo bajo atmosfera de CO2 (Valderrama et al. 2005), quizás no se detectó porque dicha fase se formó con un tamaño de partícula por debajo del límite de detección de los rayos X o como un intermediario de reacción que contribuye a la formación de La2O2CO3 y regeneración de SrO (Valderrama et al. 2010), mediante las reacciones:
CO2 + SrO → SrCO3 (6)
SrCO3 + La2O3 → La2O2CO3 + SrO (7)
En las micrografías de MET llevadas a cabo sobre los sólidos experimentados en el test catalítico puede apreciarse, después de una exhaustiva búsqueda, la formación de pocos nanotubos de carbón (Fig. 6) aún con las severas condiciones de reacción utilizadas (T = 1073 K y tiempo ~ 30 h). De acuerdo, a los análisis de EDX los nanotubos de carbón están constituidos de partículas muy pequeñas que corresponden a Co metálico (Fig. 6). Considerando que la presencia de Sr ejerce un efecto dopante de electrones que estabiliza aún más las partículas de Co0, aunado a la alta dispersión metálica y a la presencia de las fases La2O2CO3-SrO; todas estas bondades desfavorecen la formación de carbón e incrementa la actividad de los catalizadores.
El método de síntesis vía auto-combustión favorece la formación de sólidos con estructuras tipo perovskita de alta cristalinidad, homogeneidad y de gran pureza. El proceso de reducción ocurre a partir de especies intermediarias hasta la formación de nano-partículas de Co0 altamente dispersa sobre la matriz del sólido La2O3 y SrO, el dopaje con Sr aumenta la temperatura de reducción y favorece, en extensión muy pequeña, la reacción secundaria inversa de desplazamiento de gas de agua.
La interacción entre la fase La2O3 con el gas reactante CO2 y quizás con el intermediario de reacción SrCO3 durante la reformación seca de metano produce las fases activas La2O2CO3-SrO que sirve de soporte a las nano-partículas metálicas de cobalto, considerando la estabilización que induce el Sr a dichas partículas metálicas por el efecto dopante de electrones y su alta dispersión en las fases activas; todas estas propiedades juegan un papel muy importante en la reformación seca de metano, constituyendo catalizadores muy activos que, además, inhiben la formación de carbón a pesar de las severas condiciones de reacción utilizadas.
AGRADECIMIENTO
Los autores agradecen el financiamiento al Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico de la Universidad Central de Venezuela a través de los Proyectos PG-03-00- 6504-2006, LOCTI-2008-2009 y PICS PI 200300002, al Laboratorio Nacional de Microscopía y Microanálisis Lab-2001001442 (FONACIT) y a la Universidad de Oriente mediante el Proyecto de Investigación de Grupo CI-5-010201-1623-09.
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