Síntesis y Prueba de Catalizadores de Nanopartículas de Solución Sólida Pt-Cu Soportadas para la Deshidrogenación de Propano

El objetivo general de esta investigación es sintetizar nuevos catalizadores bimetálicos con un tamaño de partícula pequeño y uniforme y probar su rendimiento para la deshidrogenación de alcanos. El objetivo es comprender los principios fundamentales que conducen a una alta selectividad de olefinas, alta tasa, larga vida útil y estabilidad térmica. Este método de síntesis de catalizadores optimiza el anclaje de las especies metálicas y el soporte mediante la preparación de una solución con un pH que carga la superficie de soporte y controla los iones metálicos de carga opuesta.

Se necesita un control cuidadoso de las temperaturas de calcinación y reducción para lograr un tamaño de partícula pequeño, la coimpregnación de los precursores metálicos elegidos correctamente garantiza una fuerte interacción bimetálica que, en última instancia, controla la actividad y la selectividad. Después de la preparación, medimos las tasas, la selectividad y la estabilidad de los catalizadores para la deshidrogenación de alcanos para determinar las diferencias en el rendimiento con la composición del catalizador y correlacionarlas con la estructura. Primero, pese cuidadosamente aproximadamente cinco gramos de sílice seca en papel de pesaje y transfiéralo a un plato de pesaje.

Mientras mezcla, agregue agua gota a gota hasta que la sílice esté completamente húmeda, pero sin exceso de solución. A continuación, vuelva a pesar la sílice húmeda para calcular la cantidad de agua absorbida y determinar el volumen de poros del soporte de sílice. Para preparar la solución precursora, disuelva 0,125 gramos de trihidrato de nitrato de cobre en un mililitro de agua en un pequeño frasco para obtener una solución azul cielo.

Agregue amoníaco gota a gota a la solución de nitrato de cobre formando precipitados de hidróxido de cobre de color azul oscuro. Continúe agregando amoníaco hasta que los precipitados de color azul oscuro se disuelvan para formar una solución de color azul oscuro y el pH sea superior a 10. A continuación, agregue 0,198 gramos de nitrato de tetraamminaplatino a la solución.

Luego, agregue agua para que el volumen total de la solución sea de 3,5 mililitros, lo que coincide con el volumen de poros del soporte de sílice de cinco gramos. Caliente la solución a 70 grados centígrados hasta que se disuelvan todas las sales de nitrato de tetraamminaplatino. Después de dejar que la solución precursora de metal disuelta se enfríe a temperatura ambiente, agregue unas gotas a la vez a cinco gramos de sílice en un plato de evaporación de cerámica y revuelva suavemente para romper las partículas que se adhieren para lograr una distribución homogénea de la solución.

Seque el catalizador impregnado soportado por sílice con una proporción de cobre a platino de 0,7 en un horno a 125 grados Celsius durante la noche. Al día siguiente, calcinar el precursor del catalizador enfriado en un horno a 250 grados Celsius con una tasa de rampa permanente de cinco grados Celsius en el aire durante tres horas. A continuación, transfiera el catalizador calcinado a un horno tubular para su reducción.

Coloque una capa de una pulgada de lana de cuarzo en el medio de un reactor de tubos de cuarzo de una pulgada y cargue el catalizador calcinado enfriado en el tubo a través de un embudo de plástico. Luego, coloque el tubo en un horno con temperatura programada. Después de purgar el tubo con nitrógeno durante cinco minutos a temperatura ambiente, cambie el flujo a 5% de hidrógeno equilibrado en nitrógeno al mismo caudal que el nitrógeno para reducir el catalizador.

Aumente la temperatura a 150 grados centígrados con una rampa permanente de cinco grados centígrados y manténgala durante cinco minutos. Ahora, comience a aumentar lentamente la temperatura a una velocidad de 2,5 grados Celsius por minuto a 250 grados Celsius, manteniendo la temperatura durante 15 minutos después de cada aumento de 25 grados Celsius. Aumente a 550 grados centígrados a 10 grados centígrados por minuto y permanezca durante 30 minutos para completar la reducción.

Vuelva a cambiar el flujo de hidrógeno del 5% a nitrógeno puro para purgar el sistema y enfriar a temperatura ambiente. Luego, descargue el catalizador y guárdelo en un vial para usarlo en el futuro. Coloque una capa de media pulgada de lana de cuarzo contra el hoyuelo en el medio de un reactor de tubos de cuarzo de 3/8 de pulgada.

A continuación, mezcle 40 miligramos de precursor de catalizador soportado con sílice con una proporción de cobre a platino de 0,7 y 960 miligramos de sílice en un vial vacío para diluir el catalizador. Usando un embudo de plástico, cargue la mezcla de catalizador en el reactor de tubos. Limpie la pared exterior de ambos extremos del tubo con toallitas sin pelusa para eliminar la suciedad y obtener un buen sellado con la junta tórica.

Conecte los accesorios de tubo a ambos extremos del reactor de tubos de cuarzo y conéctelos al sistema de reactor equipado con un horno de concha. Después de esto, abra el flujo de nitrógeno a través del reactor de tubos. Después de un minuto, cierre la válvula de bola en la salida del reactor.

Después de esperar a que la presión del sistema aumente a cinco libras por pulgada cuadrada, cierre la válvula de bola en la línea de nitrógeno de entrada para detener el flujo de nitrógeno y sellar el sistema del reactor. Después de un minuto, registre la lectura de presión del manómetro. Abra la válvula de bola en la salida del reactor para liberar la presión antes de reiniciar el flujo de nitrógeno encendiendo la válvula de bola en la línea de nitrógeno de entrada para purgar el sistema durante un minuto.

Comience a fluir hidrógeno diluido en nitrógeno para la reducción del catalizador antes de ejecutar la reacción y detener el flujo de nitrógeno. Comience a calentar el reactor tubular a 550 grados Celsius con una tasa de 10 grados Celsius. Para las pruebas de reacción de deshidrogenación de propano, inicie el cromatógrafo de gases, o GC, en el sistema del reactor y seleccione el método adecuado para el análisis de componentes de gas.

Ahora, cambie el flujo de gas del reactor a una línea de derivación. Caudal de 100 centímetros cúbicos por minuto de 5%propano y nitrógeno diluido en 5%hidrógeno diluido en nitrógeno. Después de que el flujo de propano se estabilice, inyecte el flujo de derivación en el GC como muestra de referencia.

A continuación, vuelva a cambiar el flujo de gas a la línea de tubos del reactor para iniciar la reacción y registrar el tiempo. Después de que la reacción se ejecute durante cuatro minutos, inyecte el flujo de gas de salida del reactor en el GC para obtener la información del componente del gas de salida. Por último, utilice el software de análisis de picos correspondiente para analizar cada pico.

Aquí se presenta la selectividad del propileno en función del tiempo para los catalizadores de platino y platino-cobre. Mientras que la selectividad del propileno de los catalizadores de platino disminuye a una mayor conversión, el catalizador soportado por sílice con una proporción de cobre a platino de 7,3 conserva una alta selectividad del propileno en diferentes conversiones de propano. La selectividad del catalizador aumenta casi linealmente con el contenido de cobre en los catalizadores de platino-cobre.

Un mayor contenido de cobre también mejora las tasas de rotación por mol de platino superficial para la deshidrogenación del propano. Existe una relación casi lineal entre la tasa de renovación y la relación atómica del catalizador de cobre a platino, con un balance de carbono cercano al 100% durante todas las pruebas de reacción. El tamaño de partícula promedio de los catalizadores monometálicos de platino y platino-cobre determinado por imágenes de tallo está entre dos y tres nanómetros.

El cambio del patrón de dispersión en los espectros de estructura fina de absorción de rayos X de los catalizadores con una relación creciente de cobre a platino sugiere la formación de nanopartículas bimetálicas con un contenido de cobre creciente. El patrón XRD de los catalizadores de platino y platino-cobre mostró que su composición difiere de la composición ideal de las aleaciones ordenadas y no hay un pico de difracción de superred, lo que indica que el platino y el cobre forman una estructura de solución sólida desordenada en los catalizadores. Los picos de difracción se desplazan a ángulos más altos, con un aumento de la relación cobre-platino, lo que confirma que la solución sólida se vuelve más rica en cobre.

Una vez dominado, el paso de impregnación se puede realizar en aproximadamente una hora y la consistencia es como pequeñas partículas con composición uniforme. Al preparar aleaciones metálicas por impregnación, es importante ajustar el valor de pH de la solución y utilizar complejos metálicos adecuados según el tipo de soporte. El volumen de la solución debe ser igual al volumen de poros del soporte.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo sintetizar catalizadores bimetálicos compatibles y probar su rendimiento de deshidrogenación de alcanos. Este método es ampliamente aplicable y se puede utilizar para diferentes composiciones de catalizadores y para muchas reacciones químicas. No olvide que mezclar hidrógeno con aire en presencia de un catalizador metálico es extremadamente peligroso y puede provocar explosiones.

Siempre debe purgar el reactor con nitrógeno antes y después de la adición de hidrógeno al catalizador.