Figura: Mapeado STEM-HADDF y STEM-EDX del catalizador FeSb sobre soporte de silicio tras la activación en CO dónde se muestra la formación de las estructuras “core-shell” de Fb-Sb.
Cerdanyola del Vallès, 6 de octubre de 2021. El proceso de Fischer-Tropsch es una reacción química catalítica que se desarrolló en Alemania en 1925. A través de ella, el monóxido de carbono y el hidrógeno presentes en el gas combustible conocido como sintegás se convierten en hidrocarburos de diversos pesos moleculares. Hoy en día la síntesis de Fischer-Tropsch es una vía atractiva para convertir el sintegás generado a partir de materias primas renovables como biomasa, desechos orgánicos y de plástico en combustibles y productos químicos.
Uno de los tipos de hidrocarburos que se pueden sintetizar con la reacción de Fischer-Tropsch son los alcanos, que se utilizan como cimientos para multitud de productos, incluidos plásticos, detergentes y adhesivos.
Un equipo de investigación de la Universidad de Lille (Francia) ha desarrollado un nuevo procedimiento para la síntesis de alcanos mediante la reacción de Fischer-Tropsch. Añadieron estaño y antimonio a catalizadores de hierro para incrementar su actividad. Este proceso, denominado promoción, resultó en un gran incremento de la velocidad de reacción.
El objetivo de este trabajo es dilucidar la génesis y evolución de las fases activas – aquellas que presentan las propiedades catalíticas – en el catalizador durante su activación y reacción catalítica utilizando una combinación de técnicas de caracterización in-situ y avanzadas. Los experimentos in-situ, específicamente, jugaron un papel crucial para estudiar tanto los catalizadores de hierro como los promotores, estaño y antimonio, bajo condiciones de reacción.
Los estudios llevados a cabo en este trabajo han permitido un claro entendimiento del fenómeno catalítico y abren perspectivas para la mejora de los catalizadores.
Una mirada más cercana a la interacción entre los promotores y catalizadores
Figure: (a) Espectro XANES del catalizador FeSb/SiO2 en el vértice k del Sb durante el calentamiento en CO y (b) evolución correspondiente de las especies de Sb. (c) módulo de la transformada de Fourier EXAFS tras la activación en Co, reacción de Fischer-Tropsch y enfriamiento a temperatura ambiente. (d) Conversión del Co en función del tiempo para los catalizadores Fe/SiO2, FeSn/SiO2 y FeSb/SiO2 (condiciones de reacción: T =350 °C, P = 10 bar, H2/CO = 1, WHSV = 3.6 L g−1 h−1).
La espectroscopia de absorción de rayos-X in-situ llevada a cabo en la línea de luz CLÆSS del Sincrotrón ALBA demostró que el antimonio se reduce completamente a su estado metálico y forma nanopartículas bimetálicas de hierro-antimonio bajo condiciones de reacción, mientras que una fracción significativa del óxido de estaño sigue presente.
La promoción con antimonio resulta en una mejora mayor de la carburación del hierro (proceso de adhesión de carburos al hierro) en comparación con la promoción con estaño. La mejora en la velocidad de reacción se atribuye a los efectos electrónicos que surgen de los promotores localizados cerca de las nanopartículas de carburo de hierro. Los efectos electrónicos mejoran la actividad intrínseca de los sitios activos, que son el conjunto de átomos que catalizan la reacción de forma directa. La actividad específica de los sitios activos, denominada frecuencia de recambio, incrementa de 7 a 10 veces debido a la interacción de las especies de carburo de hierro con el antimonio y el estaño.
Este estudio es una colaboración entre investigadores e investigadoras de la Universidad de Lille (Francia), la Universidad Técnica de Delft (Holanda), la Universidad de Gante (Bélgica), el Sincrotrón ALBA, el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) y la Universidad de Normandía & INSA de Ruan (Francia).
Referencia: Deizi V. Peron a, Alan J. Barrios, Alan Taschin, Iulian Dugulan, Carlo Marini, Giulio Gorni, Simona Moldovan, Siddardha Koneti, Robert Wojcieszak, Joris W. Thybaut, Mirella Virginie, Andrei Y. Khodakov. Active phases for high temperature Fischer-Tropsch synthesis in the silica supported iron catalysts promoted with antimony and tin. Applied Catalysis B: Environmental (2021). DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120141
Con la colaboración de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. El Sincrotrón ALBA forma parte de la red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación (UCC+i) de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) y ha recibido apoyo a través del proyecto FCT-20-15798.
