Síntesi i caracterització de nanopartícules mono- i bimetàl∙liques per aplicacions catalítiques

Abstract

Els objectius inicials d’aquesta tesi eren: 1) desenvolupar nanocatalitzadors amb composició, geometria i propietats estructurals ben controlades, 2) estudiar vies per a la incorporació de les nanopartícules prèviament sintetitzades en suports d’elevada àrea superficial i 3) estudiar i correlacionar les propietats i el comportament catalític dels nanocatalitzadors model sintetitzats.

Per aquest motiu en una primera etapa s’ha estudiat la preparació de nanopartícules metàl·liques disperses i accessibles, a partir de les quals s’han fet créixer matrius mesoporoses amb porositat controlada. Concretament s’ha estudiat el mètode mitjançant la síntesi col·loïdal de nanopartícules d’or com a fase activa i en òxid de titani com a suport model i d’ interès. La porositat i àrea superficial del suport (TiO2) s’ha controlat mitjançant derivats carboxilats aromàtics, els quals actuen com a espaiadors físics entre centres de titani, generant una xarxa híbrida orgànica- inorgànica intermèdia. Per tal d’eliminar els lligands orgànics i estabilitzar el material, aquestes mostres s’han calcinat en aire. Mitjançant difracció de raigs-X i àrea B.E.T, s’ha confirmat la formació d’una xarxa mesoporosa abans i després de l’etapa de calcinació. Aquests resultats corroboren la funció dels lligands orgànics com a directors d’estructura, ja que proporcionen estabilitat tèrmica al material i el prevenen contra el col·lapse de l’estructura mesoporosa. Els materials mesoporosos finals eviten i bloquegen el creixement i l’agregació de les nanopartícules d’or, per tant minimitzen la sinterització que normalment té lloc en l’etapa de calcinació i incrementen les interaccions entre les nanopartícules metàl·liques i el suport.

Finalment s’ha estudiat el comportament catalític d’aquests materials en dues reaccions d’interès: reacció d’oxidació de CO i la reacció de Water Gas Shift (WGS). La bona accessibilitat de les nanopartícules d’or ha estat confirmada amb una elevada conversió de CO a COR2R a baixa temperatura en la mostra Au@TiOR2R(b). Els resultats obtinguts per espectroscòpia DRIFT mostren una banda única i ben definida en el catalitzador Au@TiOR2R(b), que s’associa a espècies AuP característic dels enllaços Au-O-Ti de la interfície metall-suport.

En una segona etapa s’han sintetitzat nanopartícules de coure, cobalt i s’ha desenvolupat una síntesi per a la preparació de nanopartícules bimetàl·liques de cobalt-coure amb estructura core shell, Co@Cu. Aquesta síntesi es basa en la substitució d’àtoms de cobalt per àtoms de coure mitjançant una reacció de desplaçament galvànic, que ha permès modular la composició en la nanopartícula.

Per a la preparativa del nanocatalitzador, les nanopartícules han estat incorporades en una matriu mesoporosa de SiOR2R a través del mètode de la inclusió capil·lar. Els elevats valors de dispersió obtinguts, confirmen la mida nanomètrica de les nanopartícules i l’eficiència del mètode per a la seva incorporació. Mitjançant l’anàlisi de reducció tèrmica programada, s’ha observat un únic pic de reducció en les mostres Co@Cu-SiOR2 en un rang de temperatures intermedis als catalitzadors monometàl·lics. Aquests perfils mostren una una elevada homogeneïtat de la mostra i un contacte íntim entre el cobalt i el coure en les nanopartícules Co@Cu, així com un efecte sinèrgic en la reducció del cobalt i del coure. L’estudi de l’evolució de les nanopartícules durant els diferents tractaments ha mostrat una segregació de les fases en la nanopartícula, Co@Cu, en funció del tractament aplicat: la reducció a pressió i temperatura ha mostrat la segregació del cobalt en superfície donant una estructura core-shell inversa a la de les nanopartícules inicials.

Finalment s’ha estudiat el comportament catalític en la reacció d’hidrogenació de CO2. Els nanocatalitzadors han mostrat capacitat per a la formació d’enllaços C-C i la formació d’alcohols, fet que posa de manifest un comportament sinèrgic i bifuncional en els centres bimetàl·lics. Tot i que , els resultats obtinguts en les conversions de CO2 R indiquen que la presència de cobalt en superfície és necessari per poder millorar el rendiment catalític d’aquest materials.

The goal set at the beginning of this thesis was the preparation of metallic nanoparticles via colloidal synthesis and its use in catalytic applications.

The first point of interest was the synthesis of disperse and accessible Gold nanoparticles, that were used in the growth of a mesoporous Titanium oxide lattice. The porosity and superficial area of the support were controlled by carboxylic derivatives that act like physical spacers between de titanium centers and create a hybrid organic-inorganic lattice. In order to remove the organic ligands and to stabilize the material, samples were calcined. The formation of the mesoporous lattice, both before and after the calcinations, was confirmed by X-ray diffraction and B.E.T. area measurements. These results indicate that the carboxylic ligands provide the mesoporous structure with thermal stability and prevent its collapse. The final mesoporous materials efficiently blocked the aggregation and growth of the gold nanoparticles, minimizing their sintering during the calcination treatment and increasing the interaction strength between the metal nanoparticles and the oxide support. The catalytic behavior of these materials was studied in two reactions of interest: CO oxidation and Water Gas Shift (WGS). The obtained results confirmed the catalytic activity and its dependence with the size of the nanometric Gold particles and the interaction established between the metal and the support.

The second point of interest was the preparation, using the colloidal synthesis, of Copper and Cobalt nanoparticles, as well as Copper-Cobalt bimetallic nanoparticles with core-shell structure (Co@Cu). The synthesis of these Co@Cu nanoparticles is based on the substitution of Cobalt by Copper atoms as a result of a redox reaction that permitted the synthesis of nanoparticles with different Cu/Co ratio. Moreover, the obtained nanoparticles were incorporated in a SiO2 mesoporous support by means of capillary inclusion. The final catalysts were chemically and structurally characterized with DRX, ICP, TEM, HRTEM, TPR and B.E.T. area.