Soporte de catalizador
En química, un soporte de catalizador es un material, generalmente un sólido con una gran área superficial , al que se fija un catalizador . [1] La actividad de los catalizadores heterogéneos es promovida principalmente por átomos presentes en la superficie accesible del material. En consecuencia, se hace un gran esfuerzo para maximizar el área superficial específica de un catalizador. Un método popular para aumentar el área superficial implica distribuir el catalizador sobre la superficie del soporte. El soporte puede ser inerte o participar en las reacciones catalíticas. Los soportes típicos incluyen varios tipos de carbón activado , alúmina y sílice . [2]
Aplicación de catalizadores a los soportes
Se utilizan dos métodos principales para preparar catalizadores soportados. En el método de impregnación, una suspensión del soporte sólido se trata con una solución de un precursor, y el material resultante se activa luego en condiciones que convertirán el precursor (a menudo una sal metálica) a un estado más activo, tal vez el metal mismo. En tales casos, el soporte del catalizador suele estar en forma de pellets. Alternativamente, los catalizadores soportados se pueden preparar a partir de una solución homogénea por coprecipitación . Por ejemplo, una solución ácida de sales de aluminio y precursores se tratan con una base para precipitar el hidróxido mixto, que posteriormente se calcina . [3]
Los soportes suelen ser muy estables térmicamente y resisten los procesos necesarios para activar los precursores. Por ejemplo, muchos precursores se activan mediante la exposición a una corriente de hidrógeno a altas temperaturas. De manera similar, los catalizadores se ensucian después de un uso prolongado y, en tales casos, a veces se reactivan mediante ciclos de oxidación-reducción, nuevamente a altas temperaturas. El catalizador Phillips , que consiste en óxido de cromo soportado sobre sílice, se activa mediante una corriente de aire caliente. [4]
Derrame
Los soportes suelen considerarse inertes: la catálisis se produce en las "islas" catalíticas y el soporte existe para proporcionar grandes áreas superficiales. Varios experimentos indican que este modelo suele simplificarse demasiado. Se sabe, por ejemplo, que los adsorbentes, como el hidrógeno y el oxígeno, pueden interactuar con el soporte e incluso migrar de una isla a otra sin volver a entrar en la fase gaseosa. Este proceso en el que los adsorbentes migran hacia y desde el soporte se denomina derrame. Se prevé, por ejemplo, que el hidrógeno puede "derramar" sobre el soporte oxídico en forma de grupos hidroxi. [5]
Lixiviación del catalizador
Un problema común en la catálisis heterogénea es la lixiviación , una forma de desactivación en la que las especies activas en la superficie de un catalizador sólido se pierden en la fase líquida. La lixiviación es perjudicial por razones ambientales y comerciales, y debe tenerse en cuenta si un catalizador se va a utilizar durante períodos prolongados de tiempo. Si las interacciones de unión entre un catalizador y su soporte son demasiado débiles, la lixiviación se exacerbará y su actividad disminuirá después de un uso prolongado. Para los catalizadores electrofílicos , la lixiviación se puede abordar eligiendo un soporte más básico . [6] Como esta estrategia puede afectar negativamente la actividad del catalizador, se requiere un equilibrio sutil entre la mitigación de la lixiviación y la actividad. [7]
Fuerte interacción metal-soporte
La interacción fuerte metal-soporte es otro caso que pone de relieve la simplificación excesiva de que los catalizadores heterogéneos están simplemente soportados sobre una sustancia inerte. La evidencia original fue proporcionada por el hallazgo de que las partículas de platino se unen al H 2 con la estequiometría PtH 2 para cada átomo de la superficie independientemente de si el platino está soportado o no. Sin embargo, cuando está soportado sobre dióxido de titanio , el Pt ya no se une al H 2 con la misma estequiometría . Esta diferencia se atribuye a la influencia electrónica del titania sobre el platino, también llamada interacción fuerte metal-soporte. [8]
Catálisis molecular heterogeneizada
Los catalizadores moleculares, que consisten en complejos de metales de transición, se han inmovilizado sobre soportes de catalizadores. El material resultante combina en principio características de ambos catalizadores homogéneos (estructuras de complejos metálicos bien definidas) con las ventajas de los catalizadores heterogéneos (capacidad de recuperación y facilidad de manipulación). Se han desarrollado muchas modalidades para unir catalizadores de complejos metálicos a un soporte. Sin embargo, la técnica no ha demostrado ser comercialmente viable, generalmente porque los complejos de metales de transición heterogeneizados se lixivian del soporte o son desactivados por éste. [9]
Soportes para electrocatálisis
Los soportes se utilizan para dar estabilidad mecánica a las nanopartículas o polvos catalizadores. Los soportes inmovilizan la partícula reduciendo su movilidad y favoreciendo la estabilización química: pueden considerarse como agentes de recubrimiento sólidos. Los soportes también permiten que las nanopartículas se reciclen fácilmente. [10]
Uno de los soportes más prometedores es el grafeno por su porosidad, propiedades electrónicas, estabilidad térmica y área superficial activa.
Ejemplos
Casi todos los catalizadores heterogéneos principales son compatibles, como se ilustra en la tabla siguiente.
| Proceso | Reactivos, producto(s) | Catalizador | Apoyo |
|---|---|---|---|
| Síntesis de amoniaco ( proceso Haber-Bosch ) | N2 + H2 , NH3 | óxidos de hierro | alúmina |
| Producción de hidrógeno mediante reformado con vapor | CH4 + H2O , H2 + CO | níquel | K2O |
| Síntesis de óxido de etileno | C2H4 + O2 , C2H4O | Plata con muchos promotores | alúmina |
| Polimerización de etileno por Ziegler-Natta | propileno , polipropileno ; etileno , polietileno | TiCl3 | MgCl2 |
| Desulfurización del petróleo ( hidrodesulfuración ) | Compuestos organosulfurados H2+ , RH + H2S | Mo - Co | alúmina |
Véase también
- Reactor de lecho fluidizado – Reactor químico
Referencias
- ^ Libro de Oro de la IUPAC.
- ^ Ma, Zhen; Zaera, Francisco (2006). "Catálisis heterogénea por metales". En: Enciclopedia de química inorgánica, John Wiley. doi :10.1002/0470862106.ia084
- ^ Hudson, L. Keith; Misra, Chanakya; Perrotta, Anthony J.; Wefers, Karl; Williams, FS (2002). "Óxido de aluminio". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a01_557. ISBN . 978-3527306732..
- ^ McDaniel, Max P. (2010). Una revisión del catalizador de cromo soportado por Phillips y su uso comercial para la polimerización del etileno . Avances en catálisis. Vol. 53. págs. 123–606. doi :10.1016/S0360-0564(10)53003-7. ISBN 9780123808523.
- ^ Conner, W. Curtis.; Falconer, John L. (1995). "Desbordamiento en catálisis heterogénea". Chemical Reviews . 95 (3): 759–788. doi :10.1021/cr00035a014.
- ^ Aboelfetoh, Eman Fahmy; Fechtelkord, Michael; Pietschnig, Rudolf (2010). "Estructura y propiedades catalíticas del óxido de vanadio soportado en MgO en la oxidación selectiva de ciclohexano". Journal of Molecular Catalysis A: Chemical . 318 (1–2): 51–59. doi :10.1016/j.molcata.2009.11.007.
- ^ Aboelfetoh, Eman Fahmy; Pietschnig, Rudolf (2014). "Preparación, caracterización y actividad catalítica de catalizadores basados en óxido de vanadio soportados en MgO/SiO2 " . Catalysis Letters . 144 : 97–103. doi :10.1007/s10562-013-1098-z. S2CID 95557262.
- ^ Tauster, SJ (1987). "Interacciones fuertes metal-soporte". Accounts of Chemical Research . 20 (11): 389–394. doi :10.1021/ar00143a001.
- ^ Hübner, Sandra; De Vries, Johannes G.; Farina, Vittorio (2016). "¿Por qué la industria no utiliza complejos de metales de transición inmovilizados como catalizadores?". Advanced Synthesis & Catalysis . 358 : 3–25. doi :10.1002/adsc.201500846.
- ^ Hu, H.; Xin, JH; Hu, H.; Wang, X.; Miao, D.; Liu, Y. (2015). "Síntesis y estabilización de nanocatalizadores metálicos para reacciones de reducción: una revisión". Journal of Materials Chemistry . 3 (21): 11157–11182. doi :10.1039/C5TA00753D. hdl : 10397/8849 .
