Comportamiento en la oxidación selectiva de co (co-prox) de catalizadores soportados de cobre y oro

Resumen

La reacción de oxidación preferencial de CO (CO-PROX) es la última etapa en el proceso de producción de H2 a bordo del vehículo para su uso como combustible en las pilas PEM. Los catalizadores que se emplean en el reactor CO-PROX deben reducir la concentración de CO hasta valores tolerables por el ánodo de la pila PEM. Para una corriente de alimentación con 1% de CO, que ha de reducirse hasta 10 ppm, la conversión total de CO debe ser, como mínimo, de 99,99%. Los primeros catalizadores comerciales utilizados se basaban en metales nobles soportados (usualmente, Pt y alúmina), que requerían temperaturas muy altas para lograr conversiones moderadas de CO, con gran pérdida de H2 por oxidación simultánea. Hoy en día, estos catalizadores de metales nobles se han ido sustituyendo por otros soportados sobre óxidos reducibles, y posteriormente, se han sustituido los metales nobles por otros metales más activos a bajas temperaturas. En este trabajo, se han preparado varios grupos de catalizadores, basados en cobre y en oro, y soportados sobre diversos óxidos reducibles. En los catalizadores basados en cobre, se han optimizado el contenido en cobre, la composición del soporte y el método de preparación. Los catalizadores basados en oro se han preparado soportados sobre óxido de hierro, y sobre óxidos mixtos cerio-zirconio; en el primer caso, se ha estudiado y optimizado la temperatura de calcinación, y en el segundo caso, se ha optimizado la composición del soporte. Para el conocimiento de estructura, propiedades texturales y morfología de los catalizadores, estos se han caracterizado mediante análisis termogravimétrico, difracción de rayos X, espectroscopía de emisión atómica con plasma acoplado inductivamente, isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno, microscopía electrónica y espectroscopía Raman. Los catalizadores con alta capacidad redox presentan mayor actividad en la reacción CO-PROX. Las propiedades relacionadas con la capacidad redox se han estudiado mediante las técnicas de reducción a temperatura programada con hidrógeno y con monóxido de carbono, ya que ambos componentes se encuentran presentes en el medio de reacción. También se ha analizado la capacidad de almacenamiento de oxígeno (OSC), mediante ciclos consecutivos de oxidación con O2 y de reducción con CO, con intervalos intermedios de barrido en inerte. La interacción de las moléculas que intervienen en la reacción CO-PROX (CO, O2, CO2 y H2O) con la superficie del catalizador se han analizado mediante desorción a temperatura programada. Una vez se han caracterizado los catalizadores, se ha realizado la evaluación de actividad catalítica empleando un reactor tubular. La actividad y selectividad de los catalizadores se han evaluado tanto en ausencia como en presencia de H2, y en ambos casos, en ausencia y presencia de CO2 y H2O, con el fin de analizar el posible efecto inhibitorio de ambos componentes. En algunos casos, se ha estudiado el efecto de la cantidad de oxígeno en la actividad y selectividad de la reacción CO-PROX variando la cantidad de oxígeno alimentado (). Finalmente, se ha realizado un estudio cinético de la oxidación de CO, de H2 y de la oxidación selectiva de CO con el catalizador 7CuO/CeO2, el cual se ha elegido por su elevada actividad y selectividad en la reacción CO-PROX. El estudio cinético se ha realizado en tres partes: primeramente se ha obtenido un modelo de velocidad de reacción cinético para la oxidación de CO en ausencia de H2; posteriormente se ha hecho lo mismo para la oxidación de H2 en ausencia de CO, y finalmente, con los datos obtenidos para ambas reacciones, se ha obtenido un modelo para la reacción CO-PROX. En todos los casos, se ha comenzado con el ajuste a una reacción de tipo potencial y se ha concluido con el ajuste a una ecuación de tipo mecanístico.