Nanocatalizadores Au/TiO2-X (X = Ni, Fe, Cu) y su aplicación en la producción/purificación sustentable de H2 y en la oxidación de CO a baja temperatura

Abstract

"Nowadays, the modern societies are based on the use of cars which are an essential part of daily life. However, these vehicles generate high amounts of emissions such as carbon monoxide, hydrocarbons, volatile organic compounds, nitrogen oxides, among others. Of all these emissions, CO is the principal pollutant and represents a hazard compound to living beings and ecosystems. One way to diminish a hazardous effect is to complete it oxidation to carbon dioxide at room temperature. A possible solution to this serious environmental problem is the generation of clean alternative energy from renewable resources. From this point of view, hydrogen is the energy of the future because can be obtained from water, and their energy efficiency is higher than that of fossil fuels and the only product of combustion is steam water. In this sense, this doctoral research is focussed in three important environmental reactions: 1) catalytic CO oxidation, 2) water – gas shift and 3) photocatalytic water splitting, which were catalyzed by nanostructured materials based on titania modified with nickel, copper or iron, at optimal concentrations to achieve doping and/or mixed oxides formation. This supports, namely TiO2-Ni, TiO2-Cu, and TiO2-Fe, also were superficially modified with gold nanoparticles about 3 nm in diameter. Nanometric gold is characterized by its high carbon monoxide affinity and its ability to act as an electron trap during the photocatalytic process. Au/TiO2-Fe and Au/TiO2-Ni catalysts show a high stability and catalytic activity during the CO oxidation reaction, achieving conversions of 70 and 90 %, respectively, at room or lower temperatures. Furthermore, the in situ infrarred spectroscopy (DRIFTS) allows to determinate a strong sinergy of both nickel and iron during the CO quimisorption. The new adsorption sites in the iron and bridged species, Ni(CO)2, are responsible for enhancing the oxidation at lower temperature. In the hydrogen purification/production by the WGSR, the Au/TiO2-Ni catalyst had a high catalytic performance, resulting in a CO conversion 1.7 times higher than the reference catalysts, Au/TiO2 and Au/P25."

"Debido al estilo de vida de las sociedades actuales, los automóviles representan una parte inseparable de la vida diaria, sin embargo, generan altas cantidades de emisiones tales como: monóxido de carbono, hidrocarburos, compuestos orgánicos volátiles, óxidos de nitrógeno, entre otros. La emisión de CO es mayoritaria y representa un peligro para los seres vivos y ecosistemas, ya que es un producto de combustión incompleta. Una manera de contrarrestarlo es completando su oxidación a dióxido de carbono, pues este último es inofensivo, ya que existe naturalmente en la atmósfera. Una posible solución a esta problemática ambiental es el desarrollo de energías alternas a partir de recursos renovables, desde este punto de vista, el hidrógeno resulta ser la energía del futuro pues se puede obtener a partir del agua, además de que su eficiencia energética es superior a la de combustibles fósiles y el único producto de su combustión es vapor de agua. En este sentido, en esta investigación doctoral se abordaron tres reacciones: 1) oxidación de CO, 2) reacción de desplazamiento de vapor de agua (water ¿ gas shift) y 3) la ruptura de la molécula de agua (water splitting), las cuales fueron catalizadas por materiales nanoestructurados basados en dióxido de titanio modificado con níquel, cobre o hierro, a concentraciones óptimas para lograr el dopaje y/o formación de óxidos mixtos. Estos soportes, TiO2-Ni, TiO2-Cu y TiO2-Fe, además fueron modificados superficialmente con nanopartículas de oro de aproximadamente 3 nm de diámetro. El oro nanométrico se caracteriza por su alta afinidad por el monóxido de carbono y por su capacidad de actuar como trampa de electrones durante el proceso fotocatalítico. Los catalizadores Au/TiO2-Fe y Au/TiO2-Ni mostraron una alta estabilidad y actividad catalítica durante la reacción de oxidación de CO, alcanzando conversiones del 70 y 90 %, respectivamente, a temperaturas inferiores a la ambiente. Además, por espectroscopia infrarroja in situ (DRIFTS) se determinó la fuerte sinergia tanto del níquel como del hierro durante la quimisorción de CO, creando nuevos sitios de adsorción en el hierro y la especie puenteada, Ni(CO)2. Durante la purificación/producción de hidrógeno mediante la WGSR, los catalizadores Au/TiO2-Ni tuvieron un alto desempeño catalítico resultando en una conversión de CO 1.7 veces superior a los catalizadores de referencia, Au/TiO2 y Au/P25."