Design of catalysts based on hydroxyapatite for carbon and nitrogen fixation

Abstract

(English) Permanently polarized hydroxyapatite (p-HAp) has been recently proposed as a novel green catalyst. p-HAp is obtained by applying an electrical and thermal stimulation polarization process (TSP), which consists on a DC electric voltage of 500 Vat 1000 °C to previously sintered hydroxyapatite. The objective of this PhD Thesis has been to settle down a solid understanding of p-HAp through the investigation of its structure and physico-chemical features, that results in enhanced electrical and catalytical properties that have allowed to develop novel and outstanding applications in the field of green catalysis. We have focused the research in decarbonization and nitrogen conversion processes that result in high added value molecules. The TSP not only increases the crystallinity, reducing the defects at the crystal lattice, but also creates charges that accumulate at the crystalline boundaries and at the surface of microscopic grains, boosting the electrical conductivity. Hence, the utilization of p-HAp in the catalytic fixation of carbon and nitrogen from CO2, CH4 and N2 gases, has been explored reporting the successful formation of different products of chemical and industrial interest (e.g. amino acids, ethanol and ammonia) as a function of the reaction conditions (i.e. feeding gases and presence/absence of UV illumination). In addition, the catalyst plasticity has been explored to enhance the selectivity towards the desired reaction products. In conclusion, we reveal that p-HAp exhibits important advantages with respect to other consolidated catalysts, drastically increasing the final energetic net balance of the reactions, a fact that opens new avenues in the green chemistry catalysis field.

(Català) La hidroxiapatita polaritzada permanentment (p-HAp) s'ha proposat recentment com a nou catalitzador verd. La p-HAp s'obté a partir d'un procés de polarització d'estimulació elèctrica i tèrmica (TSP), que consisteix en aplicar una tensió elèctrica constant (DC) de 500 V i 1000 °C a la hidroxiapatita prèviament sinteritzada. L'objectiu d'aquesta tesi doctoral ha estat establir una sòlida comprensió de la p-HAp mitjançant la investigació de la seva estructura i característiques fisicoquímiques, que es tradueixen en unes propietats elèctriques i catalítiques millorades, que a la vegada han permès desenvolupar noves i destacades aplicacions en el camp de la catàlisi verda. Hem centrat la recerca en processos de descarbonització i conversió de nitrogen que donen lloc a molècules d'alt valor afegit. El TSP no només augmenta la cristal·linitat, reduint els defectes a la xarxa cristallina, sinó que també crea càrregues que s'acumulen als límits cristal·lins i a la superfície dels grans microscòpies, augmentant la conductivitat elèctrica. Així doncs. s'ha explorat la utilització de la p-HAp en la fixació catalítica de carboni i nitrogen a partir dels gasos CO2, CH4 i N2, reportant la formació exitosa de diferents productes d’interès químic i industrial (per exemple, aminoàcids, etanol i amoníac) en funció de les condicions de reacció (es a dir. gasos d’alimentació i presència/absència d’il·luminació UV). A més, s'ha explorat la plasticitat del catalitzador per millorar la selectivitat cap als productes de reacció desitjats. En conclusió, postulem que la p-HAp presenta avantatges importants respecte a altres catalitzadors consolidats, augmentant dràsticament el balanç net energètic final de les reaccions, fet que obre noves vies en el camp de la catàlisi de la química verda.