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Catalizadores monolíticos de Ni/Al2O3 promovidos por La: efecto del La en la actividad catalítica en la deshidrogenación oxidativa de etano (DOE) Paula Brussino, Juan P. Bortolozzi, Viviana G. Milt, Ezequiel D. Banús, María A. Ulla* Instituto de Investigaciones en Catálisis y Petroquímica, INCAPE (FIQ, UNL-CONICET), Santa Fe, Argentina. *E-mail: [email protected] RESUMEN Actualmente el etileno se produce mediante el craqueo con vapor de naftas o etano, un proceso que requiere de elevadas temperaturas de operación. Una alternativa más amigable con el medio ambiente es la deshidrogenación oxidativa de etano (DOE) aplicada con un catalizador adecuado. En el presente trabajo se estudió la incorporación de La como promotor en catalizadores de Ni/Al2O3 soportados en monolitos de cordierita aplicados a la reacción DOE. Se investigaron tres relaciones atómicas La/Ni nominales de 0,09; 0,17 y 0,25, y su influencia en las propiedades morfológicas, fisicoquímicas y catalíticas. La preparación de estos catalizadores no requirió excesivos ciclos y la adherencia de las capas catalíticas al sustrato resultó elevada en todos los casos. Mediante Espectroscopia Láser Raman y Espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X se observó que las especies La3+ se ubicarían entre el soporte (Al2O3) y las especies Ni2+. En consecuencia, en los sistemas que contienen mayor cantidad de lantano, la interacción Ni-Al2O3 resultó menor, reflejándose en una disminución en la selectividad a etileno. Por otro lado, todos los sistemas promovidos presentaron un aumento en la conversión de etano, que estaría dado por la interacción entre las especies Ni2+ y La3+. Palabras clave: Ni/Al2O3, La2O3 promotor, monolitos de cordierita, deshidrogenación oxidativa de etano. ABSTRACT Nowadays ethylene is manufactured via the steam cracking of naphtha or ethane, a process that requires very high temperatures. A friendlier alternative with the environment is the oxidative dehydrogenation of ethane (ODE) that would operate with an adequate catalyst. In the present work lanthanum was studied as a promoter for the Ni/Al2O3 catalysts supported onto cordierite monoliths applied to the ODE reaction. Three atomic nominal La/Ni ratios were investigated: 0.09; 0.17 and 0.25, and also their influence in the morphological, physicochemical and catalytic properties. The synthesis of these catalysts did not require excessive cycles and their mechanical resistance resulted very high. Laser Raman Spectroscopy and X-ray Photoelectron Spectroscopy showed that La+3 species would locate between Ni+2 species and the support (Al2O3). Consequently, the systems with higher lanthanum content presented a weaker Ni-Al2O3 interaction, spotted by the decrease in selectivity to ethylene. On the other hand, the three promoted systems presented an increment in ethane conversion compared with the unpromoted one, related with the interaction between Ni2+ and La3+ species. Keywords: Ni/Al2O3, La2O3 promoter, cordierite monoliths, oxidative dehydrogenation of ethane. 1 1. Introducción Actualmente, el etileno es uno de los compuestos de mayor demanda a nivel mundial. Se utiliza en la manufactura de polímeros, óxido de etileno, estireno, etilbenceno, entre otros. La demanda global de etileno fue de 139 millones de toneladas en 2014 y se espera que alcance las 169 millones de toneladas para el 2019 [1]. El proceso de producción de etileno más establecido a nivel mundial es el craqueo con vapor de nafta o etano, siendo este último compuesto el más utilizado en USA debido a su bajo precio. La problemática que conlleva este proceso está relacionada con las elevadas temperaturas que requiere (800°C o más). Debido a esto, la búsqueda de nuevas formas de producción de etileno que sean más amigables con el medio ambiente resulta de interés. Dentro de este contexto, surge como una alternativa atractiva la deshidrogenación oxidativa de etano (DOE), ya que esta reacción utiliza etano como reactivo y, con la ayuda de un catalizador efectivo, operaría a temperaturas inferiores a los 500°C. Para que esto sea posible, se debe emplear un catalizador con elevada conversión de etano y que, a su vez, sea lo más selectivo posible hacia etileno. Entre los catalizadores más estudiados aplicados a esta reacción se destacan los basados en óxido de níquel (NiO) promovido por algún catión de valencia elevada o soportado en un material de elevada superficie específica. Ambas situaciones se relacionan con la mejora de la selectividad del NiO. En la literatura se encuentran reportados trabajos que utilizan metales de tierras raras como promotores de catalizadores basados en níquel aplicados a la deshidrogenación oxidativa de alcanos [2-4]. Entre ellos, AbdelDayem y colaboradores [4] encontraron que el agregado de lantano a la formulación catalítica de níquel soportado en -Al2O3 debilita la interacción entre las especies de níquel y la alúmina, tornándolo más reducible y, por lo tanto, más activo en la deshidrogenación oxidativa de ciclohexano. Por otro lado, si se planea una futura aplicación industrial, se debe pensar en depositar el catalizador en una estructura. Es por esto que resulta de interés la síntesis de catalizadores estructurados, ya que con los mismos se logra, en general, mejorar la efectividad de los procesos. Los monolitos de cordierita son una alternativa interesante a utilizar debido a que presentan elevada área superficial geométrica, mayores productividades, mejor control de la selectividad XXV Congreso Iberoamericano de Catálisis y baja caída de presión, comparados con los reactores de lecho fijo convencionales [5]. Teniendo en cuenta lo expuesto, el objetivo de este trabajo fue la preparación de catalizadores de Ni-La soportados en Al2O3 depositados en monolitos de cordierita, que resulten activos y estables en la reacción DOE. Además, se pretende estudiar el efecto del lantano como promotor mediante tres relaciones atómicas La/Ni: 0,09; 0,17 y 0,25. 2. Experimental 2.1. Preparación estructurados de los catalizadores Los catalizadores de NiLa(X) soportados en -Al2O3, con contenidos nominales de 20%p Ni respecto a la alúmina y relaciones atómicas La/Ni= 0,09; 0,17 y 0,25, se prepararon mediante el método “washcoating”. Este método consiste en realizar ciclos de inmersión – soplado – secado hasta alcanzar la carga necesaria y, finalmente, una calcinación en mufla. Los monolitos de 2 cm de largo x 1 cm x 1 cm, cubiertos en sus paredes externas con Teflón y cinta termocontraíble, se sumergieron durante 1 min en la suspensión o solución correspondiente eliminando el excedente con una bomba soplante. Luego se secaron en estufa a 130°C durante 1 h y finalmente se calcinaron. En primer lugar se depositó una capa de alúmina sobre las paredes internas de los monolitos hasta alcanzar aproximadamente 300 mg (a) y luego sobre la misma se generó la fase activa, (b). (a) Para depositar la capa de alúmina se utilizó una suspensión de alúmina, preparada de la siguiente manera: se disolvió polivinilalcohol (PVA) en agua a 50°C, luego se agregaron 17,79 g de Al2O3 20%p/v (NYACOL) y finalmente 15,87 g de Al2O3 SBA 230 (Puralox®). La calcinación en mufla fue a 550°C durante 2 h. (b) Para generar la película catalítica se utilizaron soluciones 0,43 M de Ni(NO3)2 y La(NO3)3 (Sigma-Aldrich), preparadas acorde a las relaciones atómicas La/Ni seleccionadas. En este caso los ciclos consistieron en inmersión – soplado – secado – inmersión – soplado – secado – calcinación (a 500°C durante 2 h). Una vez sintetizados los catalizadores se los denominó NiLa(X)/M, donde X representa la relación atómica nominal La/Ni y M se refiere al monolito de cordierita (sustrato). 2 400 350 300 mg Al2O3 Espectroscopia Infrarroja: Se obtuvieron espectros FTIR para observar las especies presentes en los mismos. El equipo utilizado fue un espectrómetro IR marca Shimadzu, modelo IRPrestige 21 que trabaja por Transformada de Fourier (FT-IR). Se utilizó una resolución de 8 cm1 . Espectroscopia Láser Raman: Los espectros se obtuvieron utilizando un espectrómetro LabRam (Horiba-Jobin-Yvon) acoplado a un microscopio confocal Olympus, equipado con un detector CCD enfriado a −70°C. La longitud de onda de excitación fue 532,13 nm en todos los casos. La potencia del láser se fijó en 30 mW. Microscopia electrónica de barrido (SEM): La morfología de las películas catalíticas se observó utilizando un microscopio electrónico de barrido marca JEOL modelo JSM-35C con un voltaje de 20 kV. Espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS): El análisis superficial de las especies químicas se realizó en un equipo multitécnica Specs, equipado con una fuente de rayos X dual Mg-Al y un analizador hemiesférico PHOIBOS 150 en el modo trasmisión analizador fijo (FAT). Los espectros se obtuvieron con una energía de paso de 30 eV y un ánodo de Mg operado a 200 W. La presión durante la medida fue menor a 2.10−8 mbar. Resistencia mecánica: La adherencia de las películas catalíticas al sustrato de cordierita se estudió realizando ensayos en baño ultrasónico durante un tiempo total de 90 min. Evaluación catalítica: Se llevó a cabo en un sistema de flujo en un rango de temperaturas entre 300 y 500°C. La composición de la alimentación fue 6% O2, 6% C2H6 y balance Helio, con una relación W/F de 0,48 g.s/cm3. Luego se evaluó la selectividad de los sistemas a temperatura constante (T = 400°C) variando el tiempo de contacto. promedio los monolitos alcanzaron la carga deseada y el aumento fue sostenido. C 250 200 150 100 50 1 2 3 4 5 Ciclos Figura 1. Deposición de la capa de alúmina en los monolitos. C: Calcinación. La incorporación de la fase activa (formada durante la calcinación) se muestra en la Figura 2. Por cada relación La/Ni se muestra el promedio del porcentaje en peso de Ni de 5 monolitos. Todos los sistemas alcanzaron la carga deseada en 5 ciclos y el aumento fue sostenido. 26 24 Fase activa (NiO) incorporada (%) 2.2. Caracterización NiLa(0,09)/M NiLa(0,25)/M NiLa(0,17)/M 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 Ciclos Figura 2. Incorporación de la fase activa (NiO). 3.2. Caracterización 3. Resultados y discusión 3.1. Preparación estructurados de los catalizadores La Figura 1 muestra el aumento de peso en miligramos de alúmina durante su deposición en 25 monolitos de cordierita y sus correspondientes desviaciones estándar. El objetivo en esta etapa de la preparación fue depositar aproximadamente 300 mg de alúmina en cada monolito. Como puede verse, en XXV Congreso Iberoamericano de Catálisis La resistencia mecánica de los catalizadores se estudió mediante un ensayo en ultrasonido por un período total de 90 min, midiendo la pérdida de peso de los catalizadores estructurados. Las adherencias de las capas catalíticas al sustrato resultaron elevadas: en todos los casos fueron de aproximadamente 97%. Para estudiar la morfología de los cubrimientos catalíticos se tomaron micrografías SEM en diferentes zonas de cada monolito. Para 3 los tres casos la morfología resultó muy similar y, por lo tanto, se presentan las correspondientes al sistema NiLa(0,25)/M en la Figura 3. Se puede apreciar que los macroporos característicos de la cordierita se cubrieron en su totalidad y que el cubrimiento es homogéneo (a, recuadro de un acercamiento en el centro del canal). (a) especies, por lo tanto se infiere que podrían encontrarse altamente dispersas, ya que el óxido de lantano a temperatura ambiente tiene una elevada tendencia a adsorber CO2 y H2O de la atmósfera. La Figura 4 muestra los espectros Láser Raman de los catalizadores estructurados promovidos por La y, además, el correspondiente al catalizador no promovido para poder realizar una comparación. 100 µm 100 µm Intensidad (u.a.) PARED NiLa(0,25)/M NiLa(0,17)/M NiLa(0,09)/M (b) Ni/M 200 400 600 800 1000 -1 Desplazamiento Raman (cm ) PARED Figura 4. Espectros Láser Raman de los catalizadores estructurados Ni y NiLa. 100 µm Figura 3. Micrografías SEM del catalizador NiLa(0,25)/M; (a) Canal. Recuadro: acercamiento del centro del canal; (b) Pared con recubrimiento. La imagen (b) muestra una de las paredes recubiertas en posición vertical. Observando esta imagen se puede estimar el espesor de la película catalítica en el centro del canal, que es de aproximadamente 40 µm (en los bordes hay acumulación de cubrimiento debido a la fluidodinámica en el proceso de inmersión). Con el fin de estudiar la naturaleza de las especies activas presentes se realizaron análisis de FTIR, Raman y XPS. Los espectros FTIR de los catalizadores estructurados frescos (no se muestran) se obtuvieron para analizar la presencia de especies carbonatos y oxhidrilos correspondientes a oxicarbonatos de lantano e hidróxido de lantano respectivamente. No se visualizaron señales correspondientes a estas XXV Congreso Iberoamericano de Catálisis Los espectros de todos los catalizadores presentan una señal ancha y asimétrica en la región entre 400 – 600 cm-1 que corresponde al estiramiento Ni-O. En el sistema Ni/M la señal está centrada en 557 cm-1, cuando en el óxido de níquel volumétrico aparece en 500 cm-1 [2], indicando una elevada interacción entre las especies de níquel y la alúmina. En los espectros de los catalizadores promovidos por lantano, esta señal aparece corrida a menores números de onda con respecto al catalizador sin promotor, lo que podría indicar que la incorporación de lantano en la red del níquel debilitaría la interacción entre este último y la alúmina. Por otro lado, no se observaron las señales características de oxicarbonatos de lantano e hidróxido de lantano, entre 200 y 400 cm-1 [6]; al igual que lo sugerido por FTIR. El óxido de lantano presenta en su espectro Raman una señal intensa alrededor de los 400 cm-1 [7]. En los espectros de los catalizadores promovidos podría encontrarse presente dentro de la señal ancha de NiO ya que en este caso, la señal de níquel es más intensa y más ancha. Es necesario destacar que todos los catalizadores tienen la misma cantidad 4 de níquel. Esto sugiere que el óxido de lantano estaría altamente disperso en el soporte. Las especies de níquel y lantano, al igual que las especies de oxígeno a nivel superficial se estudiaron mediante XPS. La Figura 5 muestra los espectros en la zona de Ni 2p y La 3d. Las señales de Ni 2p3/2 y La 3d3/2 se encuentran solapadas y, entre ellas, aparece la señal satélite del níquel (señal en color negro a 847,6 cm-1). 855,6 Ni 2p1/2 Ni 2p3/2 La 3d3/2 La 3d5/2 Intensidad (u.a.) Ni-La(0,25)/M NiLa(0,17)/M 874 851,2 835,3 NiLa(0,09)/M 856,1 890 880 870 860 850 840 Las relaciones atómicas La/Ni superficiales fueron calculadas para los sistemas NiLa(0,25)/M y NiLa(0,17)/M, y resultaron de 0,14 y 0,08 respectivamente. A partir de estos resultados se puede inferir que el lantano se ubicaría entre la alúmina y el níquel, lo cual es consistente con lo inferido en los espectros de Láser Raman. En cuanto a la muestra que contiene la menor cantidad de lantano, a nivel superficial no se detectaron estas especies. Las relaciones atómicas Ni/Al superficiales también fueron calculadas y resultaron de 0,06 para NiLa(0,09)/M; 0,11 para NiLa(0,17)/M y 0,13 para NiLa(0,25), menores a las correspondientes teóricas: 0,16 y 0,20 para los dos últimos casos. En la Figura 7 se pueden apreciar las señales correspondientes a la región O1s de los catalizadores que contienen lantano. Se encuentran presentes dos especies de oxígeno: el oxígeno de la red a 530 eV y el otro componente a 531,9 eV que podría deberse a átomos de oxígeno cercanos a vacancias de níquel, oxígeno de especies OH u oxígeno de carbonatos [12,13]. 830 Energía de enlace (eV) Figura 6. Espectros XPS de las regiones Ni 2p y La 3d de los catalizadores promovidos. XXV Congreso Iberoamericano de Catálisis Intensidad (u.a.) Las señales de Ni 2p3/2 en todos los catalizadores son simétricas, es decir que no presentan un doble pico, lo que sugiere que en la superficie del soporte el NiO no está presente de forma volumétrica sino altamente disperso [8]. Asimismo, el espectro del catalizador NiLa(0,09)/M presenta diferencias con respecto a los otros dos. En cuanto a las señales de níquel, la correspondiente a este último aparece a mayor energía de enlace, indicando una mayor interacción entre las especies de níquel y el soporte. Además, coincide con la correspondiente al catalizador sin promotor [9]. Esto también se hace evidente en la señal del lantano, la cual no aparece claramente en el espectro de este sistema. La señal principal de La 3d5/2 en los catalizadores NiLa(0,25)/M y NiLa(0,17)/M se encuentra a 835,3 eV y su satélite desplazado 3,5 eV a menor energía de enlace (838,8 eV). Estos valores se corresponden con los reportados para óxido de lantano (La2O3) soportado en alúmina [10,11]. Por lo tanto, esto indicaría que la especie presente sería óxido de lantano. NiLa(0,25)/M NiLa(0,17)/M NiLa(0,09)/M 536 534 532 530 528 526 -1 Energía de enlace (cm ) Figura 7. Espectros XPS de la región O1s de los catalizadores promovidos. 3.3. Evaluación catalítica Los catalizadores estructurados se evaluaron en la reacción DOE. En primer lugar se estudió la conversión de etano en función de la temperatura (300 – 500°C) a un W/F = 0,48 g.cm3/s (Figura 8). Como puede observarse, la incorporación de lantano como promotor genera un aumento en la conversión de etano. Este comportamiento se condice con los resultados de Raman y XPS: las especies de lantano se 5 Conversión de etano (%) 30 NiLa(0,17)/M NiLa(0,25)/M 40 20 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Conversión de etano (%) Figura 9. Selectividad en función de la conversión a T = 400°C y W/F variable. 20 15 10 5 0 350 60 6 25 300 Ni/M NiLa(0,09)/M 0 NiLa(0,09)/M NiLa(0,17)/M NiLa(0,25)/M Ni/M 35 80 400 450 500 Temperatura (°C) Figura 8. Conversión de etano en función de la temperatura de reacción. En segundo lugar, se mantuvo la temperatura de reacción en 400°C y se varió la relación W/F para estudiar el comportamiento de la selectividad hacia etileno con la conversión (Figura 9). El catalizador NiLa(0,09)/M fue el que presentó la selectividad más elevada y la tendencia de los puntos se condice con la correspondiente al catalizador sin promotor (Ni/M). Este comportamiento puede deberse a que en la superficie de este sistema la interacción Ni-Al2O3 es similar a la del sistema sin promotor (XPS). Por otro lado, una tendencia muy diferente se encontró en los catalizadores que contienen mayor cantidad nominal de lantano, y en los cuales se detectó lantano en la superficie: las rectas son levemente crecientes y la selectividad resultó marcadamente inferior. La caída en la selectividad se debe al carácter oxidante del La2O3. Por otro lado, el leve aumento de la selectividad hacia etileno con la conversión de etano podría indicar que el etileno se desorbería con mayor facilidad, limitando su oxidación. XXV Congreso Iberoamericano de Catálisis Los rendimientos a 400°C de los catalizadores estructurados promovidos comparados con el correspondiente al catalizador sin promotor se exhiben en la Figura 10. Como se puede apreciar, el agregado de lantano aumenta considerablemente el rendimiento del catalizador basado en níquel. Además, como también se observa en las Figuras 8 y 9, la actividad catalítica es fuertemente dependiente de la cantidad de lantano agregada. Los mejores resultados se obtuvieron utilizando una relación atómica teórica La/Ni = 0,17; aumentando el rendimiento en un 16,5% respecto al sistema Ni/M. También se puede observar que la diferencia de rendimiento entre los catalizadores NiLa(0,17)/M y NiLa(0,25)/M no es significativa. 18 16 14 Rendimiento (%) 40 100 Selectividad hacia etileno (%) ubicarían entre la alúmina y el níquel, debilitando su interacción y, por lo tanto, generando especies más activas, también generadas por la interacción entre las especies Ni+2 y La+3. Además, entre las tres relaciones atómicas La/Ni estudiadas, el catalizador que presentó mayor conversión fue el que contiene una relación nominal de La/Ni = 0,17. Comparando este último con el catalizador sin promotor, la conversión de etano aumentó desde 5% hasta 25% a 400°C. Ni/M NiLa(0,09)/M NiLa(0,17)/M NiLa(0,25)/M 12 10 8 6 4 2 0 Figura 10. Rendimientos de los catalizadores estructurados a 400°C. 6 4. Conclusiones Los resultados del presente trabajo muestran que los catalizadores estructurados NiLa(X)/M son activos en la deshidrogenación oxidativa de etano (DOE). Además, su preparación es relativamente sencilla sin requerir de excesivos ciclos y poseen elevada resistencia mecánica. El desempeño catalítico depende de la cantidad de lantano agregada al sistema Ni/M, siendo el catalizador NiLa(0,17)/M el más activo. Todo esto está relacionado con las propiedades fisicoquímicas. Las especies La3+ parecerían ubicarse entre la alúmina y las especies Ni2+, debilitando su interacción y, por ende, dejando una mayor cantidad de níquel expuesto en la superficie de la capa catalítica, aumentando su actividad, en el caso de los sistemas NiLa(0,17)/M y NiLa(0,25)/M. Por otro lado, el catalizador NiLa(0,09)/M presentó propiedades diferentes a los otros catalizadores promovidos. El efecto del agregado del lantano se observó por Raman, mediante el corrimiento de la señal de NiO y esto se vio reflejado en el aumento de conversión con respecto al sistema Ni/M. A nivel superficial, su mayor interacción entre el soporte y las especies de níquel al igual que la ausencia de La en la superficie, se reflejó en su elevada selectividad a etileno. 5. J. A. Moulijn, A. Stankewickz, F. Kapteijn. Chem. Sust. Dev. 11 (2003)3 – 9. 6. L.M. Cornaglia, J. Múnera, S. Irusta, E.A. Lombardo. Appl. Catal. A. 263 (2004) 91 – 101. 7. S. Lee, H. M. Cheong, N. Park, C. E. Tracy, A. Mascarenhas, D. K. Benson, S. K. Deb, Solid State Ionics 140 (2001) 135 – 139. 8. S. Palacín, A. Gutiérrez, I. Preda, M. HernándezVélez, R. Sanz, J.A. Jiménez, L. Soriano, Appl. Surf. Sci. 254 (2007) 278 – 280. 9. P. Brussino, J. P. Bortolozzi, V. G. Milt, E. D. Banús, M. A. Ulla. Ind. Eng. Chem. Res. 55 (2016) 1503 – 1512. 10. M. Ferrandon, E. Björnbom. J. Catal. 200 (2001) 148 – 159. 11. G. Garbarino, C. 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AbdelDayem, M. Faiz, H. S. Abdel-Samad, S. A. Hassan. J. Rare. Earth. 33 (2015) 611 – 618. XXV Congreso Iberoamericano de Catálisis 7