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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.
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7. S. Lee, H. M. Cheong, N. Park, C. E. Tracy, A.
Mascarenhas, D. K. Benson, S. K. Deb, Solid State
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13. N. Kitakatsu, V. Maurice, C. Hinnen; P.
Marcus. Surf. Sci. 407 (1998) 36.
5. Agradecimientos
Los autores agradecen el financiamiento
recibido de la ANPCyT (Grant PME-87 PAE 36985)
para la compra del equipo Láser RAMAN y el
apoyo económico del CONICET y la Universidad
Nacional del Litoral.
6. Referencias
1. IHS Chemical Developments in Energy and
Feedstock Markets and the Impact on
Petrochemicals. T. Potter. Vice President, APAC –
IHS Chemical Insight (Última visita, febrero de
2016).
Disponible
en:
http://www.apic2015.com/contents/downloads.
2. J.P. Bortolozzi, L.B. Gutierrez, M.A. Ulla. Catal.
Commun. 43 (2014) 197 – 201.
3.J.P. Bortolozzi, T. Weiss, L.B. Gutierrez, M.A.
Ulla. Chem. Eng. J. 246 (2014) 343 – 352.
4. H. M. AbdelDayem, M. Faiz, H. S. Abdel-Samad,
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XXV Congreso Iberoamericano de Catálisis
7

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